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一. 无铅焊接技术的诞生
环保运动对PCB产业之冲击
促进环保已是文明国家的共识,其中尤以欧盟推动最力,欧盟推动环境保护从立法著手,於1999
年3月已完成WEEE(Waste Electrical and Electrical Equipment)第二版之草案,对PCB产业将造成一
定程度之冲击,其中尤其以『无铅制程』及『无卤板材』二者更是PCB业界切身关注的问题.
电子工业无铅政策
1. 无铅政策之形成背景
由於铅对人体危害极大,各国将立法禁止用铅.电子工业组装之焊接(Soldering)与电路板之
电镀锡铅与热喷锡铅均将在无铅政策下有所改变.
欧洲与日本非常热衷於电子业"禁铅令"(Lead Ban)的立法,主要的推手是WEEE中对电子业
铅废料所明订"回收/再利用"(Reclaim/Recycle)的强制性法条.对高阶性电子机器如Servers或
Mainframes等,因掌控尚容易故影响不大.但对家电,汽车等消费性电子品,则因流向不定与回收困
难之下,导致催生成立"家电回收法"(Home Electronics Recycled Law),而禁止用铅.
※ 欧洲与日本热心推动,美国在高阶电子产品或特殊精密用途方面(如覆晶Flip Chip之焊锡突
块)持反对态度,其他国家则暂时观望.
※ 许多美商(如IBM,Motorola,Intel等)反对在取代品困难的领域中禁铅(如Flip,Chip之
焊锡突块Solder Bump等).但也渐认知环保的压力,而在低阶产品中配合采用无铅焊接,以
避免回收的高成本.
一. 无铅焊接技术的诞生
2. 无铅制程之发展情形
美国"国家电子制造业创进会"(National Electronics Manufacturing Initiative ; NEMI)於1999年
5月组成工作小组,针对"无铅就绪"(Lead Free Readiness)之目标展开工作,并预计2001年4月完成
开发"无铅制程".
※ 该工作小组计划开发无铅封装与组装的焊接制程与物料,以适应较高的焊温(将由220℃提
高到260℃),参加者有:Celestica,Compaq,Delphi/Delco,Motorola,HP,Nortel,Solectron,
Visteon等公司.
※ 无铅焊料之概况
以锡与银,或锡与铜合金者最常见.
焊温平均上升30℃,成本增加,强度减弱,焊性劣化,并使相关制程变得困难.
新焊料至今尚巳基本能取代现行63/37锡铅共融合金(Utetic Alloy)优良焊料之广泛用途.
˙无铅焊接将焊温平均上升30℃,可能带来零
件涨裂,打线拉脱,板子分层,甚至晶片破
裂等可靠度问题.且无铅焊锡本身缺点较
多,除成本较高外,尚有焊锡性较差而忍痛
将助焊剂的活性加强,沾锡力(Wetting
Force)欠佳下不得不增加"触修"(Touch Up)
成本,零件脚与板面焊垫之可焊处理困难等
问题.
˙无铅焊料(Solder或译"焊锡")
熔点上升之后将造成板材热应力
增大,焊点(Solder Joint)强度
减低(IMC脆化)等相关品质问题,
亦需一并谋求解决之道.
˙无铅组装(Assembly)实例:
Lucent有一种DC/DC Converter即
试采各种无铅政策,如不鐼锡之
PCB(焊垫采OSP处理),无铅锡膏
(96.5% Sn+3.5% Ag ; mp221℃),
零件脚镀纯锡等,在焊温250℃下
完成焊接.另Nortel有一种
Meridian电话也采无铅组装,其锡
膏成份为97.3% Sn+0.7% Cu,mp227
℃,焊温在245℃-257℃之间.其
三是Panasonic在SJ-MJ30 CD随
身听的组装,系采90% Sn+7.5%
Bi+2% Ag+0.5% Cu熔点217-218℃
的四相合金锡膏,对镀纯锡脚与板
面OSP处理的裸铜焊垫进行焊接.
产品类型 合金成份 熔点 应用
Sn/0.75Cu 227℃
Sn/0.7Cu/0.05Ni 227℃
Sn/0.7Cu/0.3Ag 217~227℃
Sn/3.5Ag 221℃
Sn/3Ag/0.5Cu 217℃~219℃
Sn/3Ag/0.7Cu 217℃~219℃
Sn/2.5Ag/0.5Cu/1Bi 214℃~221℃
Sn/Ag/Cu系列在SMT reflow / wave
soldering等焊接作业下,其耐热疲劳性与延
展性均可与传统之Sn/Pb焊材.
对於再生/ 回收方面亦是非常理想的材料.
Sn/9Zn 198℃
Sn/7.5Zn/3Bi 189℃~199℃
Sn/8Zn/1Ag/X/Y 198℃
Sn/5Sb 236℃~243℃
Bi/Sb具备降低表面张力的性质,少量添加
能够加强扩张性效果及增进强度.
Sn/58Bi 140℃
Sn/Bi共晶合金,在低温焊锡作业下亦可提
供高信赖度焊锡性.
二. 无铅焊接技术的优点及缺点
优点:
环 保 Environmental
随著人们对环保意识抬头及铅对人体造成危害之体认日益增高,环保科技(Green Technology)已成
为各国积极立法与研发与之重要议题,欧盟已表决通过从2007年1月1日起禁止使用含铅电子产品
之法案.
Lead (Pb) has successfully been used in the manufacture of electrical and electronic equipment for many years.
Environmental interest on the increasing number of discarded electronic products containing lead, that may end up in
landfill sites, have drawn attention to 'Lead Free' (Pb Free) Soldering. Production soldering with lead-free alloys, driven
by environmental, health, and legislative concerns, is in the electronics industries' near future.
Legislation - WEEE Directive 3rd Draft July 1999
In response to the concern, the EC has initiated a proposal - the WEEE Directive (Waste from Electrical and
Electronic Equipment). Currently on the third draft, the proposal is principally concerning recycling and aims at banning
the use of lead from certain categories of electrical and electronic equipment and PCB's by 2004 and have been final
confirmed that 100% limitation for the use of lead from 01, Jan, 2007.
三. 无铅焊接的先决条件及步骤
Process Of Change
Step 1 Source Lead Free Substrates
i.e. Copper finish PCB's
Step 2 Evaluate Lead Free Solder Materials
i.e. Solder Paste, Bar Solder, Solder Wire.
Step 3 Quality & Reliability Tests for product
Performance
Step 4 Start to source Lead Free Components
Step 5 By 2004, Ready To 'drop in', replacement
technology
无 铅 焊 材 开 发
基 本 概 表: 替代Sn-Pb共晶焊材,检讨各种特性与母材及助焊剂的组合,需具有同等级以上的能力.
基本要求特性 Alloy Advantages Disadvantages
不含环境污染物质 SnCu
Tin/ Copper
Cost effective, Available
High melt point 227°C.
Poor mechanical properties
生产作业可能温度
Reflow/200~230℃,
Wave/250℃
焊锡性能(Cu,Ni,Ag)
次要要求特性
SnAg
Tin/Silver
Available, reliability, good
mechanical
properties, better solder ability
than
tin/copper. Eutectic 221°C
Cost,
melting temperature
221°C
鍚膏特性(保存性,作业,其它),
免清洗为前题考虑因素
回流焊作业性(短路,虚焊等), 免
清洗为前题考虑因素
下塌的发生及融入母材的影响
机械性能,电气化学的信赖性
(耐热疲劳性,Creep,电气测试)
SnAgCu
Tin/Silver/Copper
Reliability, Solder ability,
Melting
temperature
217°C. Ideal for general
purpose Soldering
Reliable. Melting temperature
206°C,
Melting temperature
217°C
焊料供给的稳定性,成本 SnAgBi
Tin/Silver/Bismuth
Tolerability, wet ability, strength
Fillet lifting,
sensitivity to lead contamination
机械特性(强度,龟裂率)
能 原 用
现 行 的
基 板 材 料,
设 计 及 工 艺
加工性(附加价值)
SnZnBi
Tin/Zinc/Bismuth
Melting temperatures 189°C,
close to
tin/lead eutectic
Paste shelf life,
needs aggressive fluxes,
excessive oxidation, and corrosion.
四. 现今无铅焊接的困扰
无铅专利的纷争 意味著空白的一年
2000年1月爆发的无铅焊材专利纷争,在2001年2月终於结束了. 成为问题的焊材,在无铅焊材中被视为主流.电
子业制造商在这一年被迫不能使用此焊材.阻碍其使用的专利问题,环球各国各电子业制造商以何种方式去对应,经过这
一年来,由於各制造商所走的路径不同,也开始呈现在无铅化发展态势的差异.
被视为无铅焊材主流的Sn-Ag-Cu焊材所引发美日之间专利的纷争,在2001年2月终於落幕了. 从此事件浮出台面以
来,约经过一年的时间,这一年就像是冻结主流焊材之空白的一年.此专利纷争,在无铅焊材实用化中被泼冷水的制造商
透露:日本国内使用Sn-Ag-Cu焊材的制造商,因此专利的纷争,使原计划输入美国的产品无法进行,因而不得不变更无
铅焊材导入的计划.
震撼业界的无铅焊材专利纷争以及围绕在相关事件的问题,而如何因应无铅焊材采用的战略,制造商大概可分为三种:
■ 战略有三种类型
1. 采用在特性上有缺点,未被视为主流,但与专利纷争
无关之材料.
2. 基本上想使用主流成分的焊材,一面关注著专利问
题,一面在主流成分中加入少许与专利不抵触的材料
来使用,同时也进行与专利无关之新材料的研究开
发.
3. 等待专利纷争结束后,再使用主流材料.
焊材种类 Sn-Ag-Cu系 Sn-Ag-Cu-Bi系 Sn-Zn系 应 用 参 考 实 例
代表性的组成
Sn-3Ag-0.5Cu
(JEITA推荐焊材)
Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi
(SONY公司内标准焊材)
Sn-8Zn-3Bi
(NEC部分的产品使用)
主要采用制造商
富士通,日立制作所,松
下电器产业,NEC,
PIONEER,三洋电机,
SHARP及东芝等
日立制作所,PIONEER,
三洋电机及SONY等
NEC
研究开发中
的制造商
许多制造商已经实际使
用过
日本BICTER等
富士通,日立制作所,日
本BICTER,三洋电机,
SHARP及东芝等
优 点
有实际使用,焊接信赖性
高
熔融温度比Sn-Ag-Cu系
低(210℃~220℃),润湿
性较好.
熔融温度与
现行的焊材相近
(Sn-8Zn-3Bi的温度为
187℃~197℃),成本较低
缺 点
熔融温度较高
Sn-3Ag-.5Cu的温度为
+218℃),成本较高
脆化,延展性差
目前必须在氮气环境下
焊接,润湿性差
零件耐热保证温
度和各焊材的熔
融温度差(⊿T)
⊿T最小,
约为10℃~15℃
⊿T较小,
约10℃~20℃
⊿T较大,
约40℃左右
SONY以Sn-Ag-Cu-Bi为主轴,进行无铅化.其
最具象徵性的为其制造子公司SONY幸田Tec,
SONY制品的组装子公司集结而成於2001年4月诞
生为SONY 的主力工厂.
SONY在此工厂全面导入对应无铅焊接的设
备,在2001年3月已完成约百数台的设备更新.至
今仍未有过任何一家公司导入如此多的无铅焊接设
备.
而全面更换为Sn-Ag-Cu-Bi系焊材的最初产品为
CAMERA一体型的VTR,於2001年3月上市贩卖.
此机种在SONY CAMERA一体型VTR当中属於主
力机种.在主力工厂及主力产品之无铅化完成后,
SONY其他的工厂及其他的产品也开始展开无铅
化,幸田Tec以外的工厂也导入无铅焊接设备,也
有适用无铅焊材的产品了.
四. 现今无铅焊接的困扰
■ 选择不抵触专利的组成合金
相对於选择与专利无关的焊材为主轴进行无铅化的 SONY,日立制作所,NEC 及东芝等许多的机器制造商,以同时采
用几种焊材的战略,且几乎都以专利相关的 Sn-Ag-Cu系为主力焊材,而其中以采用Sn-3Ag-0.5Cu为最多
例如:NEC 研究员河野英一便指出:综观各类焊材,以Sn-Ag-Cu系最为适合使用.所以,NEC在其PHS等制品上开
始采用 Sn-3.5Ag-0.75Cu.这些产品因为只在日本国内贩卖,所以并未涉及到美国爱荷华州立大学的专利.但是,输出
产品使用此焊材时,便涉及到是否抵触到爱荷华州立大学专利之问题.为此,在其他产品无铅化得同时,所使用的焊材
便由Sn-3.5Ag-0.75Cu变更为Sn-3Ag-0.5Cu,於2000年4月全面实行.
河野表示此为不抵触专利的安全组成领域.其他制造商也和 NEC 一样提出对策.例如:富士通,三洋电机等,当初
也考虑使用Sn-3.5Ag-0.75Cu;最后因为有专利问题,成本的问题及其它公司的动向之考量,而决定改用Sn-3Ag-0.5Cu.
日立制作所方面的动向并不很明确,但是也使用了不抵触专利的Sn-Ag-Cu系合金焊材.
■ 以Sn-Ag-Cu-Bi系突破
SONY 以与此次专利纷争无关之 Sn-Ag-Cu-Bi(Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi)系焊材而言,早已是被选定为该公司之标准无
铅焊材;所以并未受到此次专利纷争的影响,而更在这一年加速进行无铅化.
Sn-Ag-Cu-Bi系焊材,比Sn-Ag-Cu系成分增加了Bi成分,因而具有较好的润湿性,但是变得较为脆化,不易使用.
使许多制造商望而却步.
对此,SONY 表示:Sn-Ag-Cu-Bi的弱点,早已完全克服并可使用,而之所以会选择此焊材不是为了回避专利,而是
比较了各种焊材特性后决定的.
■ 专利纷争的解决受到制造商们的欢迎
以改变组合的负面变更方式进行的各采用 Sn-Ag-Cu 系
的制造商而言,是欣见解决专利纷争问题的.(解决专利纷
争,两者的权利合并供应). 许多电子制造商觉得应该没有
抵触到爱荷华州立大学的专利而选择了Sn-3Ag-0.5Cu,但是
若说绝对没有问题,心中仍存有许多的不安.在专利纷争未
完全解决之前,每家制造商都不愿成为第一家输入美国的制
造商.
甚至Sharp 还一度希望在纷争未解决之前,有关输入美
国的产品表示愿意直接支付权利金给爱荷华州立大学.
由於专利纷争的终结,也有从别种焊材变更为Sn-Ag-Cu
系焊材的制造商.如三洋电机在 2001 年 2 月开始使用
Sn-Ag-Cu-Bi 系焊材於数位相机上,现今已决定变更焊材为
Sn-Ag-Cu 系焊材.在电锅制造上,目前正检讨变更为
Sn-Ag-Cu系焊材.
东芝方面,笔记型电脑和HDD所导入之焊材,以Sn-Ag-Cu
系列和其他焊材并行的方案进行检讨,在纷争解决后,已决
定Sn-Ag-Cu 系为唯一无铅焊材.
上图采用不含铅焊材(无铅焊材)的产品陆续上市 (日立制作所,
NEC,PIONEER,三洋电机及SONY等之无铅焊材产品)
四. 现今无铅焊接的困扰
■ 阻挡Sn-Ag-Cu系的墙
Sn-Ag-Cu系焊材在进入实用化所带来的除了专利问题外,还可看出几道阻碍. 采用Sn-Ag-Cu系之制造商大部分就
像东芝一样在Sn-Ag-Cu系之外研究开发其他种类来一并进行,最大的问题在於Sn-Ag-Cu系焊材的熔融温度为 215℃~220
℃,现行焊材为183℃,Sn-Ag-Cu系高出了30℃,而焊材的熔融温度提高后,电子零件的耐热温度也必须被要求提高.
现行零件之耐热温度为230℃~240℃,制造商则要求其温度提高到 250℃~260℃.
但是实际上零件依然和以往的耐热温度一样.故焊材的熔融温度和零件的耐热温度差缩小为10℃~15℃.因此,焊
接设备要比从前在温度控制上面更为精密,而电子制造商也口径一致的表示不得不导入最新的焊接设备.
附注:⊿T越小,焊接温度控制越难,需要高精度的装置.焊接时加高温度对零件会有不良的影响.
■ 受瞩目的Sn-Zn系焊材
所有的产品和其附属的周边机器,为了排除现行的焊材,不仅是自己公司的工厂,协力工厂及海外工厂等所有生产
据点的焊接设备都必须更换,而投下巨额的设备资金.协力工厂要在何时导入 导入的规模 也无法确切的掌握
其实制造商的心声是希望尽量以现有设备来导入无铅焊材.因此,机器制造商便注意到了Sn-Zn 焊材,其熔融温
度约为187℃~197℃,与现行的焊材最为接近,可直接利用现行设备使用.零件耐热温度也不需要提高.而且没有Sn-Ag-Cu
系中所含成本较高的Ag,焊材成本较低.
由上述原因,许多制造商都认为无铅焊材中最有力的候补者不是Sn-Ag-Cu而是Sn-Zn.之前以Sn-Ag-Cu系及Sn-Zn
系两者并行的制造商,可能会因为Sn-Zn系焊材的实用化而快速进入无铅化.
■ Sn-Zn系实用化的实例 很快会出现
Sn-Zn系焊材已被实用化了.NEC於1999年10月以Sn-8Zn-3Bi的组合焊材用於生产笔记型电脑上,其理由为因
应Chip Set等耐热温度低的问题,故选择了Sn-Zn系焊材.有此采用实例的契机,Sn-Zn系一跃而成为受瞩目的焊材,许
多机器制造商和焊材制造商都投入对Sn-Zn系焊材的研究开发,而Sn-Ag-Cu系的长期专利纷争也间接助长了对Sn-Zn系
焊材的研究开发.
但是截至目前为止,除了NEC之外,并未有任何一家制造商将Sn-Zn系焊材实用化的例子.最大的障碍是Sn-Zn
系焊材非常容易氧化.现状是需要使用N2装置来对应,若以现有的焊接设备将无法对应.
尽管如此,许多制造商对Sn-Zn系的实用化并未放弃,如富士通认为:Sn-Zn是最有魅力的焊材,不能舍弃它.三
洋电机表示:一定有方法可以克服障碍使用Sn-Zn.东芝则把能在大气中使用此焊材定为目标.昭和电工及日本研磨等多
家焊材制造商认为应该对这些意见有所回应,而展开热烈的开发竞争. 虽然不知道详细的内容,但好像即将会有在大气
中使用Sn-Zn的制造商出现.昭和电工表示:只要有一个实用的例子出现的话,追随的制造商会急剧增加,进而Sn-Zn的
使用将快速的普及化.
■ 无铅技术花边轶事
为了解决上述的问题,千住金属工业以缔结许可契约的方式与爱荷华州立大学从
2000年3月开始交涉.同年6月松下电器产业以中间人的身份,促成千住金属工业与
取得爱荷华州立大学许可契约的日本SUPERIOR公司洽谈.但是事情并不是顺利的发
展.以专利为基础,从事制造,贩卖的焊材制造商和非常重视专利为智慧财产权的大
学法人,在立场不同的情况下,交涉进行并不顺利. 而事情有急转变是在2000年11
月底,在制造商们的强烈要求之下,千住金属工业对日本国内10几家机器制造商发行
暂定许可证.以此为契机,同年12月26日,两公司达成基本的同意,之后又取得同
意之内容的文字化及最后确认,终於在2001年2月14日,此专利纷争完全结束了.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
原 理
各种表面贴装元件在电路板面上的互连引脚,不管是伸脚,勾脚(J-Lead),球脚或是无脚而仅具
焊垫者,均须先在板面承垫上印著锡膏,而对各"脚"先行暂时定位黏著,然后才能使之进行锡膏融
熔之永久焊接.
Reflow是指锡膏中已熔制成的焊锡小球状粒子,又经各种热源而使之再次熔融焊接而成为焊点的
过程.
(一) 锡膏的选择与储存:
目前锡膏最新国际规范是J-STD-005,锡膏的选择则应著眼於下列三点,目的是在使所印著
的膏层都要保持最佳的一致性:
(1) 锡粒(粉或球)的大小,合金成份规格等,应取决於焊垫与引脚的大小,以及焊点体积与
焊接温度等条件
(2) 锡膏中助焊剂的活性(Activity)与可清洁性(Clean ability)
(3) 锡膏之黏度(Viscosity)与金属重量比之含量
由於锡膏印著之后,还需用以承接零件的放置(Placement)与引脚的定位,故其正面的黏著
性(Tackiness)与负面的坍塌性(Slump),以及原装开封后可供实际工作的时程寿命(Working Life)
也均在考虑之内.当然与其他化学品也有著相同观点,那就是锡膏品质的长期稳定性,绝对是首
先应被考虑到的.
其次是锡膏的长时间储存须放置在冰箱中,取出使用时应调节到室温才更理想,如此将可避
免空气中露珠的冷凝而造成印点积水,进而可能在高温焊接中造成溅锡,而且每小瓶开封后的锡
膏要尽可能的用完.网版或钢板上剩余的锡膏也不宜刮回,混储於原装容器的余料内以待再次使
用.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
(二) 锡膏的布著及预烤:
板面焊垫上锡膏的分配分布及涂著,最常见的量产方法是采用两种印刷法:
(1)"网印法"(Screen Print)
网版中的丝网本身只是载具,还需另行贴附上精确图案的版膜(Stencil),才能将锡
膏刮印转移到各处焊垫上.此种网印法其网版之制作较方便且成本不贵,对少量多样的
产品或打样品之制程非常经济.
(2) 镂空之钢板(Stencil Plate)
因网印法的缺点是不耐久印, 而且精准度与加工速度不如钢板印刷,故在大量生产的组
装厂商较少使用网印生产模式.
至於钢板印刷法,则必须采用局部化学蚀刻法或雷射烧蚀加工法,针对0.2mm厚的不
锈钢板进行双面精准之镂空,而得到所需要的开口出路,使锡膏得以被压迫漏出而在板面
焊垫上进行印著.其侧壁必须平滑,使方便於锡膏穿过并减少其积附.因而除了蚀刻镂空
外,还要进行电解抛光(Electro-polishing)以去除毛刺.甚至采用电镀镍以增加表面之润
滑性,以利锡膏的通过.
锡膏的分布涂著除上述两种主要方法外,常见者尚有:
(1) 注射布著法(Syringe Dispensing)
注射法可适用於板面高低不平致使网印法无法施工上,或当锡膏布著点不多
且又分布太广时采用.但因布著点很少故加工成本很贵.锡膏涂布量的多寡与针
管内径,气压,时间,粒度,黏度都有关.
(2) 多点沾移法(Dip Transfer)
"多点沾移法"则可用於板面较小等封装载板(Substrates)之固定阵列者,其
沾移量与黏度,点移头之大小都有关.
两种用於小批量的生产.
某些已布著的锡膏在放置零件黏著引脚之前,还需要预烤(70~80℃,5~15分钟),以
赶走膏体中的溶剂,如此方可减少后来高温熔焊中溅锡而成的不良锡球(Solder Ball),以
及减少焊点中的空洞(Voiding);但此种印著后再热烘,将会使降低黏度的锡膏在踩脚时
容易发生坍塌.且一旦过度预烤者,甚至还会因粒子表面氧化而意外带来焊锡性不良与事
后的锡球.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
(三) 高温熔焊 (Reflow)
3.1 概 说
利用红外线,热空气或热氮气等,使印妥及已黏著各引脚的锡膏,进行高温熔融而成为焊点,称
为"熔焊".80年代SMT兴起之初,其热源绝大多数是得自发热效率最好的辐射式(Radiation)红
外线(IR)式机组.后来为了改善量产的品质才再助以热空气,甚至完全放弃红外线而只用热空气.
近来为了"免洗"又不得不更进一步改采"热氮气"来加温; 能够减少待焊金属表面的氧化情
况,"热氮气"既能维持品质又能兼顾环保,自然是最好的办法,不过成本的增加却是厂商投资决策
的重要考虑因素.
除了上述三种热源外,早期亦曾用过蒸气焊接(Vapor Soldering),系利用高沸点有机溶剂之蒸气
提供热源,由於处於无空气之环境中,不会氧化之下既无需助焊剂之保护也无需事后之清洗,是一种
很清洁的制程.缺点是高沸点(B.P.)溶剂(如3M的FC-5312,沸点215℃)之成本很贵,且因含有
氟素,故长期使用中免不了会裂解产生部份的氢氟酸(HF)之强酸毒物,加以板面会经常出现小零
件之"竖碑"等(Tomb stoning)不良缺点,故此法目前已自量产中淘汰.
还有一种特别方法是利用雷射光的热能(CO2或YA G),在非焊枪式的接触下,可对各单独焊点
进行逐一熔焊.此法具快热快冷的好处,而且对极微小纤细的精密焊点相当有利.对於一般大量化之
电子商品则显得非常不切实际.其他尚有类似手工焊枪式做法的"热把"(Heat Bar)烙焊,系利用
高电阻发热的一种局部焊接法,可用之於修理重工,却不利於自动化量产.
3.2 红 外 线 与 热 风
常见红外线可按其波长概分为:
(1) 波长为0.72~1.5 m接近可见光的"近红外线"(Near IR).
(2) 波长1.5~5.6 m的"中红外线"(Middle IR).
(3) 以及热能较低波长为5.6~100 m的"远红外线"(Far IR).
红外线焊接的优点有:发热效率高,设备维修成本低,"竖碑"之缺点较蒸气焊接减少,并可另
搭配高温热气体共同操作.
缺点为:几无上限温度,会常造成烧伤,甚至导致待焊件过热的变色变质,且也只能焊SMD无
法焊PTH之插装元件脚.IR的热源有日光灯式长管状的T3钨丝灯管,属Near IR直晒热量很大,但
也容易出现遮光而热量不足的情形.
其次是镍铬丝(Nichrome)的灯管,属Near或Middle之IR类.第三种是将电阻发热体埋在矽
质可传热的平板体积中,属Middle/Far之 IR形式.此全面性热量,除了正面可将热量凌空传向待焊
件外,其背面亦可发出并针对工作物反射热能,故又称为"二次发射"(Seconding Emitter).使各种
受热表面的热量更为均匀.
由於红外线在高低不同的零件中会产生遮光及色差之不良效应,故还可吹入热风以调和色差及辅
助其死角处之不足处,并可进行PTH之插焊;因而使得早先之单纯IR者几乎为之除役.所吹之热
风中又以热氮气最为理想,其优点如下:
(1) 大幅减少氧化反应,故助焊剂已可减量使用,并亦减少清洗及降低锡球.
(2) 无氧环境中助焊剂被点燃机率减少,故可提高焊温(如300℃)加快输送速度.
(3) 树脂表面变色机率减少.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
3.3 自 动 输 送 流 程:
连线熔焊之整体温度变化曲线(Thermo
Profile);有预热(吸热),熔焊及冷却等三
大阶层.每阶层中又有数个区段(Zones),
区段较少者(3-4段)输送速度较慢
(26cm/min),区段较多者(7段以上)则
速度加快(接近50cm/min)温控也较准确.
一般批量者以6段较合适.全线行经的时间
以4~7分钟之间为宜.
预热可使板面温度达150℃,而助焊剂
在120℃中90-150秒内即可发挥活性去除
锈渍,并能防止其再次氧化.板材的Tg温
度愈高愈好,因超过Tg以上的塑胶材料,
不但会呈现软化之塑性而大大伤害到尺度
安定性,且各方向(X.Y.Z)的膨胀加剧下
PTH也容易断孔.每种不同料号板面,均
有其最佳的输送速度,但一般性熔焊区之停
留时间可规定在30~60秒之间,焊温以220
℃为宜.量产前应分别订定出实用标准作业
程序(SOP).
六. Wave Soldering 波峰焊接
原 理:
利用马达压锡原理, 将已熔融之液锡向上扬起波峰,对斜向输送而来的PCB板,从下向上将液锡
进孔,或对点胶定位SMD元件脚进行填锡, 并形成焊点, 称为"波峰焊".目前之插装与贴装混合
的板子仍然可用.现将其重点整理如下:
(一) 助 焊 剂
波峰焊连线中, 液态助焊剂在板面涂布约有以下三种方式:
(1) 泡沬型 Foaming Fluxer (2) 波峰型 Wave Fluxer (3) 喷雾型 Spray Fluxer
1.1泡沬型 Foaming Fluxer
将压缩空气经过一种多孔性的天然石块或塑胶制品与特殊滤心 - 发泡通,使助焊剂形
成众多细小的气泡,当组装PCB板通过时,板子底面即能得到均匀的薄层涂布; 并在其离开
前须将多余的液滴,以冷空气约50~60℃之斜向予以强力吹掉 - 风刀,以防对续后的预热与
焊接带来烦恼; 并可迫使助焊剂向上涌出各PTH的孔顶与孔环,完成清洁功能.至於助焊剂
本身则应经常检测其比重,或以自动添加方式补充溶剂中挥发成份的变化.
1.2波峰型 Wave Fluxer
直接用喷口向上扬起液体,於狭缝控制下,可得到一种长条形的波峰,当组装板底部通
过时即可进行涂敷.此法可能呈现液量过多的情形,风刀(Air Knife)的吹刮动作则应更为
彻底才行.此种机型之价格较泡沬型稍贵,但却比喷雾型便宜,其中溶剂的挥发量也低於泡
沬型.
1.3喷雾型 Spray Fluxer
常用於免洗低固态之助焊剂(Low Solid;固含量约1~3%),对早先松香(Rosin)型固形物
较高的助焊剂则并不适宜.由於有机会出现堵塞情形,其协助喷出之气体最理想是采用氮
气,既可防火又能减低助焊剂遭到氧化的烦恼; 但一般应用仍是以压缩空气为主,.其喷雾的
原理也有数种不同的做法,如采不锈钢之网状滚筒(Rotating Drum)自液体助焊剂中带起液
膜,再自筒内向上吹出氮气而成雾状; 基信合创则选用高精度效能雾化喷咀, 通过调节助焊
剂流量,雾化大小,雾化形状将助焊剂均匀涂敷在焊接线路板表面.
(二) 预 热
一般波峰焊的预热参数, 是令板面升温到65 121℃之间,其升温速率约2℃/Sec 4℃/Sec
之间.预热不足时助焊剂之活性发挥可能未达极致,则焊锡性很难达到最佳效果, 或在挥发成份
尚未赶光之下,其待焊表面的助焊剂黏度仍低,将导致焊点的缩锡(Dewetting)与锡尖(Solder
Icicles)等缺陷.但预热温度太高,则又可能会对固形物太低的免洗助焊剂不利,此点须与助焊
剂供应商深入了解其助焊剂的最佳预热参数.
六. Wave Soldering 波峰焊接
(三) 波 焊
3.1锡温管理:
目前锡池中焊料的合金成份仍以Sn 63/Pb37与Sn 60/Pb40者居多,故其作业温度控制以
245 ±5℃为宜.但仍须考量到待焊板与零件之总体重量如何.大型者尚可升温到250℃,小
型板或对热量太敏感的产品,则可稍降到240℃,均为权宜的做法.且还须与输送速度及预
热进行搭配,较理想的做法是针对输送速度加以变换,而对锡温则以不变为宜,因锡温会影
响到融锡的流动性(Fluidity),进而会冲击到焊点的品质.且焊温升高时,铜的溶入速率也
会跟著增快,非常不利於整体焊接的品质管理.
3.2波面接触:
自组装板之底面行进接触到上涌的锡波起,到完全通过脱离融锡涌出面的接触为止,其
相互密贴的时程须控制在3-6秒之间.此种接焊时间的长短,取决於输送速度(Conveyor
Speed)及波形与浸深等三者所组成的"接触长度".
(1) 时程太短焊锡性将未完全发挥.
(2) 时程太长则会对板材或敏感零件造成伤害.
若波峰焊连线是直接安装在一般空气中时,则锡波表面会不断形成薄薄的氧化物,由於
流动的原因与组装板PCB不断浮刮带走,故整体尚不致累积太多的氧化物.但若将全系统尤
其是波峰焊段采用氮气环境所笼罩时,则可大大减少氧化反应的发生,当然也就使得焊锡性
有了显著的改进.
输送组装板的传动面须呈现3 ~7 的仰角,如此将使得零件本体的后方,被阻挡之"背
风波"锡流不强处的焊接动作大获改善.基信合创的设计是第一波峰采用 - "扰流波
(Turbulent Wave)",逼迫强力锡流穿过4排各种直径的迂回小孔而形成,可直接冲打到输
送中的底板表面,对通孔插脚或贴装尾部接脚等焊接非常有利.之后第二波峰,则采用抛物
线状的"平流波(Laminar Wave)"对朝下板面的接触时程较长,就板面需填锡补锡的引脚
有利,且还可消除过多的锡尖.
对於板面众多的小型片状零件(如Chip Resistor或Chip Capacitor)而言,＂扰流波″附
带的机械打击力量,还可迫使锡流包围零件四周甚至进入腹底,使其等所形成的焊点更为完
整,任何局部的缺失还可被随即报到的＂平流波″所再补足.
六. Wave Soldering 波峰焊接
3.3接触的细节:
若再仔细深入探讨其瞬间接触焊接的细节时,再分述於后:
(1) 板面与扰流波接触的初期,助焊剂立即进行挥发与分散的动作,连带使得待焊的
金属表面也开始沾锡(Wetting); 邢扰流设计配合其待焊面接受助焊剂的搓擦动
作.如此将可对贴装零件脚之填锡补锡大有助益,并可减少背风坡处的"漏焊"
(Skipping)现象.当然在双波的先强劲与后温柔的不同作用下,整体焊锡性也
将会更好.
(2) 当板面进入锡波中心处的"传热区"(Heat Transfer Region)时,在大量热能的
推动下,Wetting瞬间的散锡(Spreading)动作也迅速展开.
(3) 之后是锡波出口的"脱离区"(Break Away),此时各种焊点(Solder Joint)已
经形成,而各种不良缺点也陆续出现.组装板若能快速顺利的脱离锡波则万事太
平.难舍难分的拖锡,当然就会成为不良锡桥(Solder Bridge)或锡尖(Solder
icicles)甚至锡球(Solder Ball)的主要原因.其脱离的快慢虽直接取决於输送速
度,但除刻意将输送带平面上仰3 ~7 时,还可借助重力的协同而能更乾脆而方
便的分开.如客户特殊要求, 可以建议加装设热风修整装置 (不鼓励客户加装此
装置, 除客户属小品种大批量生产模式; 因风量调节过小, 则效果不明显, 风量
过大, 则恐怕造成气孔等不良现象;) 但此时却不能用冷风,以免造成组装品温度
过度起伏的热震荡(Thermal Shock)不良效应.
3.4氮气环境的协力:
在免洗助焊剂的弱势活力下, (只含Carboxylic Acid碳酸1%而已),还要奢求更好的焊
锡性,是一个工艺上的矛盾.然而回避溶剂清洗之环保压力既不可违,当然只好另谋他途寻
求解决.於是当波峰焊之锡池区,若能改装成氮气环境以减少氧化的不良反应者,自然大大
有助於焊接.经过众多试验结果,氮气环境的锡池区其残氧量以100ppm以下的焊锡性最为
良好,然而其成本的额外增加自是理所当然.为了节省开支,一般实用规格多半都将残氧率
范围订定在500ppm至1000ppm左右.也曾有人将甲酸的气体引入氮气环境中,或加用在助
焊剂中,以其强烈的还原性协助减少氧化反应的发生.然而此种具毒性的刺激物质,其在室
内的挥发浓度却不可超过5ppm,以免对人体造成伤害.
基信合创设计优良的"氮气保护系统", 其待焊件的进出口与充气装置等动态部份,都
已做好隔绝密封的设施,自可减少氮气的无谓消耗,此系统具有下列效益:
(1) 减少助焊剂的用量.
(2) 降低助焊剂残渣的附著性,使之较易清除.
(3) 大量减少锡池表面浮渣(Dross)的发生,节省焊锡用量,降低处理成本.
(4) 提升焊接之良率
(5) 改善焊点的外观及焊点形状.
(6) 减少机组维修的机率,增加产出效益.
六. Wave Soldering 波峰焊接
3.5波峰焊不良锡球的发生:
早先业界於焊后仍维持清洗的年代,锡球较少发生於完工板面.主要原因是焊后溶剂冲
刷清洗的功劳.如今之"免洗"不但带来板面助焊剂残渣的增加,也使得不良锡球(Solder
Ball)附著的机率变大.免洗所造成板面锡球已带来许多为头痛的问题,而且几乎都是无解
的悬案.无可奈何之下只好反过头来仔细追究为何会出现锡球
其中重要原因之一就是板面绿漆本身的硬化(Curing)不足,又经助焊剂在高温中对其
产生交互作用(Interaction),形成软泥状的环境,致使细碎的溅锡得以附著.除了加强绿漆硬
化与减少锡池溅锡外,板面零件的密集布局也会增加锡球的机率.
3.6波峰焊的问题与原因
顺序 缺点 原因之编号
1 沾锡不良或不沾锡 1,2,3,11,12,13,14,16,19,20,24,25,29,30
2 吹孔(Blow Hole)或孔中未填锡 3,4,7,8,15,17,24,26,27,29
3 搭桥短路(Bridge) 1,3,11,12,13,14,16,21,23,24,25,27,29,30,31
4 冷焊点(Cold Soldering Joints) 1,3,5,16,24,27,29
5 缩锡(Dewetting) 1,3,8,20,24,27
6 焊点昏暗不亮(Dull Joint) 9,16,25,27
7 板面助焊剂过多 3,7,14,18,19,24
8 锡量过多(Excess Solder) 2,3,6,7,10,14,18,19,24,27,31
9 锡池表面浮渣过多 10,25,26
10 拖带锡量过多 14,25,26
11 焊点表面砂粒状(Graing) 5,6,9,16,25,26,27,28
12 锡尖(Icicles) 1,3,5,8,11,12,13,14,15,24,25,26,27,29,31
13 通孔中流锡填锡不足 1,3,8,10,13,16,19,24,27,29
14 焊点之锡量不足 4
15 焊垫浮离 22,26,28
16 焊点缺锡 1,3,10,12,13,18,19,24,29,31
17 焊点中有空洞 3,4,7,8,13,15,17,24
18 溅锡(Solder Splatter) 5,7,12,13,18,21,26,27,30
19 焊后板面出现不良锡球(Solder Ball) 7,10,11,15,22,24,30
20 焊点中或锡柱出现空间 2,3,8,13,14,15,24,27
21 锡网(Webbing) 9,11,13,14,20,22,30
22 白色残渣(White Residues) 20,30
六. Wave Soldering 波峰焊接
原 因 之 编 号
1. 焊锡性不好 17. 孔径对脚径之比值过大
2. 板子在夹具上固定不牢或於输送带之移动不正确 18. 板面对锡波之浸入深度不正确
3. 输送速度太快 19. 板子夹具不正确
4. 输送速度太慢 20. 助焊剂不正确
5. 输送带出现抖动情形 21. 板面线路布局不良
6. 锡池发现铜污染或金污染 22 基材板有问题(如树脂硬化不足)
7. 助焊剂之比重太高 23. 锡波表面发生氧化
8. 助焊剂之比重太低 24. 预热不足
9. 焊锡中出现浮渣 25. 锡池焊料遭到污染
10. 锡波之规律性不良 26. 锡温太高
11. 助焊剂遭到污染 27. 锡温太低
12. 助焊剂之活性不足 28. 焊接时间太长
13. 助焊剂与板子的互动不足 29. 焊接时间太短
14. 助焊剂涂布站之操作不均匀 30. 绿漆不良或硬化不足
15. 通孔孔壁出现裂口及破洞,焊接时造成所填锡柱
被板材中蒸气吹入或吹歪而成吹孔
31. 锡波之波形或高度不适应
16. 焊点热容量不足
1. 焊锡性不好 17. 孔径对脚径之比值过大
2. 板子在夹具上固定不牢或於输送带之移动不正确 18. 板面对锡波之浸入深度不正确
3. 输送速度太快 19. 板子夹具不正确
4. 输送速度太慢 20. 助焊剂不正确
5. 输送带出现抖动情形 21. 板面线路布局不良
6. 锡池发现铜污染或金污染 22 基材板有问题(如树脂硬化不足)
7. 助焊剂之比重太高 23. 锡波表面发生氧化
8. 助焊剂之比重太低 24. 预热不足
9. 焊锡中出现浮渣 25. 锡池焊料遭到污染
10. 锡波之规律性不良 26. 锡温太高
11. 助焊剂遭到污染 27. 锡温太低
12. 助焊剂之活性不足 28. 焊接时间太长
13. 助焊剂与板子的互动不足 29. 焊接时间太短
14. 助焊剂涂布站之操作不均匀 30. 绿漆不良或硬化不足
15. 通孔孔壁出现裂口及破洞,焊接时造成所填锡柱
被板材中蒸气吹入或吹歪而成吹孔
31. 锡波之波形或高度不适应
16. 焊点热容量不足
七. 氮气保护系统的优点及应用
基信合创氮气保护无铅波峰焊 基信合创氮气保护无铅回流焊
氮气保护系统的起源
七十年代初氮气就已经应用於电子制造,但随著免清洗及SMT技术的高速发展,需要在惰性气体
环境中进行焊接,氮气的使用起始得到认同.
最初在波峰焊中使用氮气仅仅是为了降低成本:
减少或消除氧化渣 减少机器的保养 改进免清洗焊接的性能
氮气保护系统的优点
由於国际性对环保意识的重视, 低温无铅焊接技术将成为21世纪电子工业的实用课题, Sn-8Zn-3Bi
系的焊料, 一方面成本较低, 熔点为摄氏189度, 完全可以克服因应Chip Set等耐热温度低的问题; 最大
的障碍是Sn-Zn系焊材非常容易氧化, 现状是需要使用N2装置来对应,氮气保护除能减低线路板及零件
在焊接过程中产生氧化的不良影响外, 对生产运作成本,品质保证,及无铅技术的发展, 将会担当起未来
电子工业举足轻重的重要环节.
基信合创
氮气保护系统的应用
基信合创在无铅波峰焊上崭新综合采用『隧道
式』及『屏敝式』氮保护层(Envelope);
『隧道式结构』:
在印制板进出的过程中,注入焊接系统的氮气
阻止空气从开口处进入.因此,氮气维持正压.
当氮气流出波峰焊出口时,末端开口的部份设计有
排放氮气的方法, 作用是需要平衡这种"废气",以
便将房间的空气送到排气管,为有助於防止废气从
隧道中抽吸过量的氮气; 基信合创的关键技术是要
降低温度以减少氮气的损耗.
『屏蔽式设计』 (Shroud):
没有焊接组件时,系统进入等待模式,将焊接
波峰设置在较低的高度以减少氧化渣的形成,并停
止或降低氮气的流速.当系统探测到印制板时,重
新激活正常作业控制设置; 以进一步提升高温焊接
区域内的氮气精纯度, 提供最理想的焊接环境, 并
有效降低氮气的消耗量.
基信合创在无铅回流焊焊接过程中,应用氮气
取代系统中的氧气.氮气可引入到每一个区域,不
只是在回流区,也用於制程的冷却过程.在回流焊
制程中,使用氮气对於铜基印制板是特别有益的.
基信合创回流焊接中使用氮气有以下的优点:
端子和焊盘的润湿(wetting)较快
可焊性变化少
改善了助焊剂残留物和焊点表面的外观
快速冷却而没有铜氧化
The Brief Introduction
of
Truth Genesis
Nitrogen Protective
System
Our Truth Genesis Nitrogen Protective System monitors the oxygen content of the inert atmosphere in
the preheat tunnel and during the soldering process, which automatically adjusts nitrogen flow to maintain the
oxygen content at less than 200ppm.
The low oxygen content of the atmosphere minimizes oxidation of PCBs in the preheat tunnel and reduces
dross production in the soldering area. By continuously monitoring the oxygen content of the atmosphere, the
system automatically injects just the amount of nitrogen required to stay within specification.
Compared with fixed flow systems, minimizes nitrogen consumption whilst ensuring that the oxygen
content of the atmosphere stays within the desired range. Because Truth Genesis specializes in the production of
high specification boards, run size can vary considerably from day to day and the reliable nitrogen control keeps
the system more tolerant by maintaining low dross level at all times. With on time delivery at better than 98%
and first time customer acceptance at better than 99%, plant availability and reliability are both very important
to Truth Genesis.
环保运动对PCB产业之冲击
促进环保已是文明国家的共识,其中尤以欧盟推动最力,欧盟推动环境保护从立法著手,於1999
年3月已完成WEEE(Waste Electrical and Electrical Equipment)第二版之草案,对PCB产业将造成一
定程度之冲击,其中尤其以『无铅制程』及『无卤板材』二者更是PCB业界切身关注的问题.
电子工业无铅政策
1. 无铅政策之形成背景
由於铅对人体危害极大,各国将立法禁止用铅.电子工业组装之焊接(Soldering)与电路板之
电镀锡铅与热喷锡铅均将在无铅政策下有所改变.
欧洲与日本非常热衷於电子业"禁铅令"(Lead Ban)的立法,主要的推手是WEEE中对电子业
铅废料所明订"回收/再利用"(Reclaim/Recycle)的强制性法条.对高阶性电子机器如Servers或
Mainframes等,因掌控尚容易故影响不大.但对家电,汽车等消费性电子品,则因流向不定与回收困
难之下,导致催生成立"家电回收法"(Home Electronics Recycled Law),而禁止用铅.
※ 欧洲与日本热心推动,美国在高阶电子产品或特殊精密用途方面(如覆晶Flip Chip之焊锡突
块)持反对态度,其他国家则暂时观望.
※ 许多美商(如IBM,Motorola,Intel等)反对在取代品困难的领域中禁铅(如Flip,Chip之
焊锡突块Solder Bump等).但也渐认知环保的压力,而在低阶产品中配合采用无铅焊接,以
避免回收的高成本.
一. 无铅焊接技术的诞生
2. 无铅制程之发展情形
美国"国家电子制造业创进会"(National Electronics Manufacturing Initiative ; NEMI)於1999年
5月组成工作小组,针对"无铅就绪"(Lead Free Readiness)之目标展开工作,并预计2001年4月完成
开发"无铅制程".
※ 该工作小组计划开发无铅封装与组装的焊接制程与物料,以适应较高的焊温(将由220℃提
高到260℃),参加者有:Celestica,Compaq,Delphi/Delco,Motorola,HP,Nortel,Solectron,
Visteon等公司.
※ 无铅焊料之概况
以锡与银,或锡与铜合金者最常见.
焊温平均上升30℃,成本增加,强度减弱,焊性劣化,并使相关制程变得困难.
新焊料至今尚巳基本能取代现行63/37锡铅共融合金(Utetic Alloy)优良焊料之广泛用途.
˙无铅焊接将焊温平均上升30℃,可能带来零
件涨裂,打线拉脱,板子分层,甚至晶片破
裂等可靠度问题.且无铅焊锡本身缺点较
多,除成本较高外,尚有焊锡性较差而忍痛
将助焊剂的活性加强,沾锡力(Wetting
Force)欠佳下不得不增加"触修"(Touch Up)
成本,零件脚与板面焊垫之可焊处理困难等
问题.
˙无铅焊料(Solder或译"焊锡")
熔点上升之后将造成板材热应力
增大,焊点(Solder Joint)强度
减低(IMC脆化)等相关品质问题,
亦需一并谋求解决之道.
˙无铅组装(Assembly)实例:
Lucent有一种DC/DC Converter即
试采各种无铅政策,如不鐼锡之
PCB(焊垫采OSP处理),无铅锡膏
(96.5% Sn+3.5% Ag ; mp221℃),
零件脚镀纯锡等,在焊温250℃下
完成焊接.另Nortel有一种
Meridian电话也采无铅组装,其锡
膏成份为97.3% Sn+0.7% Cu,mp227
℃,焊温在245℃-257℃之间.其
三是Panasonic在SJ-MJ30 CD随
身听的组装,系采90% Sn+7.5%
Bi+2% Ag+0.5% Cu熔点217-218℃
的四相合金锡膏,对镀纯锡脚与板
面OSP处理的裸铜焊垫进行焊接.
产品类型 合金成份 熔点 应用
Sn/0.75Cu 227℃
Sn/0.7Cu/0.05Ni 227℃
Sn/0.7Cu/0.3Ag 217~227℃
Sn/3.5Ag 221℃
Sn/3Ag/0.5Cu 217℃~219℃
Sn/3Ag/0.7Cu 217℃~219℃
Sn/2.5Ag/0.5Cu/1Bi 214℃~221℃
Sn/Ag/Cu系列在SMT reflow / wave
soldering等焊接作业下,其耐热疲劳性与延
展性均可与传统之Sn/Pb焊材.
对於再生/ 回收方面亦是非常理想的材料.
Sn/9Zn 198℃
Sn/7.5Zn/3Bi 189℃~199℃
Sn/8Zn/1Ag/X/Y 198℃
Sn/5Sb 236℃~243℃
Bi/Sb具备降低表面张力的性质,少量添加
能够加强扩张性效果及增进强度.
Sn/58Bi 140℃
Sn/Bi共晶合金,在低温焊锡作业下亦可提
供高信赖度焊锡性.
二. 无铅焊接技术的优点及缺点
优点:
环 保 Environmental
随著人们对环保意识抬头及铅对人体造成危害之体认日益增高,环保科技(Green Technology)已成
为各国积极立法与研发与之重要议题,欧盟已表决通过从2007年1月1日起禁止使用含铅电子产品
之法案.
Lead (Pb) has successfully been used in the manufacture of electrical and electronic equipment for many years.
Environmental interest on the increasing number of discarded electronic products containing lead, that may end up in
landfill sites, have drawn attention to 'Lead Free' (Pb Free) Soldering. Production soldering with lead-free alloys, driven
by environmental, health, and legislative concerns, is in the electronics industries' near future.
Legislation - WEEE Directive 3rd Draft July 1999
In response to the concern, the EC has initiated a proposal - the WEEE Directive (Waste from Electrical and
Electronic Equipment). Currently on the third draft, the proposal is principally concerning recycling and aims at banning
the use of lead from certain categories of electrical and electronic equipment and PCB's by 2004 and have been final
confirmed that 100% limitation for the use of lead from 01, Jan, 2007.
三. 无铅焊接的先决条件及步骤
Process Of Change
Step 1 Source Lead Free Substrates
i.e. Copper finish PCB's
Step 2 Evaluate Lead Free Solder Materials
i.e. Solder Paste, Bar Solder, Solder Wire.
Step 3 Quality & Reliability Tests for product
Performance
Step 4 Start to source Lead Free Components
Step 5 By 2004, Ready To 'drop in', replacement
technology
无 铅 焊 材 开 发
基 本 概 表: 替代Sn-Pb共晶焊材,检讨各种特性与母材及助焊剂的组合,需具有同等级以上的能力.
基本要求特性 Alloy Advantages Disadvantages
不含环境污染物质 SnCu
Tin/ Copper
Cost effective, Available
High melt point 227°C.
Poor mechanical properties
生产作业可能温度
Reflow/200~230℃,
Wave/250℃
焊锡性能(Cu,Ni,Ag)
次要要求特性
SnAg
Tin/Silver
Available, reliability, good
mechanical
properties, better solder ability
than
tin/copper. Eutectic 221°C
Cost,
melting temperature
221°C
鍚膏特性(保存性,作业,其它),
免清洗为前题考虑因素
回流焊作业性(短路,虚焊等), 免
清洗为前题考虑因素
下塌的发生及融入母材的影响
机械性能,电气化学的信赖性
(耐热疲劳性,Creep,电气测试)
SnAgCu
Tin/Silver/Copper
Reliability, Solder ability,
Melting
temperature
217°C. Ideal for general
purpose Soldering
Reliable. Melting temperature
206°C,
Melting temperature
217°C
焊料供给的稳定性,成本 SnAgBi
Tin/Silver/Bismuth
Tolerability, wet ability, strength
Fillet lifting,
sensitivity to lead contamination
机械特性(强度,龟裂率)
能 原 用
现 行 的
基 板 材 料,
设 计 及 工 艺
加工性(附加价值)
SnZnBi
Tin/Zinc/Bismuth
Melting temperatures 189°C,
close to
tin/lead eutectic
Paste shelf life,
needs aggressive fluxes,
excessive oxidation, and corrosion.
四. 现今无铅焊接的困扰
无铅专利的纷争 意味著空白的一年
2000年1月爆发的无铅焊材专利纷争,在2001年2月终於结束了. 成为问题的焊材,在无铅焊材中被视为主流.电
子业制造商在这一年被迫不能使用此焊材.阻碍其使用的专利问题,环球各国各电子业制造商以何种方式去对应,经过这
一年来,由於各制造商所走的路径不同,也开始呈现在无铅化发展态势的差异.
被视为无铅焊材主流的Sn-Ag-Cu焊材所引发美日之间专利的纷争,在2001年2月终於落幕了. 从此事件浮出台面以
来,约经过一年的时间,这一年就像是冻结主流焊材之空白的一年.此专利纷争,在无铅焊材实用化中被泼冷水的制造商
透露:日本国内使用Sn-Ag-Cu焊材的制造商,因此专利的纷争,使原计划输入美国的产品无法进行,因而不得不变更无
铅焊材导入的计划.
震撼业界的无铅焊材专利纷争以及围绕在相关事件的问题,而如何因应无铅焊材采用的战略,制造商大概可分为三种:
■ 战略有三种类型
1. 采用在特性上有缺点,未被视为主流,但与专利纷争
无关之材料.
2. 基本上想使用主流成分的焊材,一面关注著专利问
题,一面在主流成分中加入少许与专利不抵触的材料
来使用,同时也进行与专利无关之新材料的研究开
发.
3. 等待专利纷争结束后,再使用主流材料.
焊材种类 Sn-Ag-Cu系 Sn-Ag-Cu-Bi系 Sn-Zn系 应 用 参 考 实 例
代表性的组成
Sn-3Ag-0.5Cu
(JEITA推荐焊材)
Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi
(SONY公司内标准焊材)
Sn-8Zn-3Bi
(NEC部分的产品使用)
主要采用制造商
富士通,日立制作所,松
下电器产业,NEC,
PIONEER,三洋电机,
SHARP及东芝等
日立制作所,PIONEER,
三洋电机及SONY等
NEC
研究开发中
的制造商
许多制造商已经实际使
用过
日本BICTER等
富士通,日立制作所,日
本BICTER,三洋电机,
SHARP及东芝等
优 点
有实际使用,焊接信赖性
高
熔融温度比Sn-Ag-Cu系
低(210℃~220℃),润湿
性较好.
熔融温度与
现行的焊材相近
(Sn-8Zn-3Bi的温度为
187℃~197℃),成本较低
缺 点
熔融温度较高
Sn-3Ag-.5Cu的温度为
+218℃),成本较高
脆化,延展性差
目前必须在氮气环境下
焊接,润湿性差
零件耐热保证温
度和各焊材的熔
融温度差(⊿T)
⊿T最小,
约为10℃~15℃
⊿T较小,
约10℃~20℃
⊿T较大,
约40℃左右
SONY以Sn-Ag-Cu-Bi为主轴,进行无铅化.其
最具象徵性的为其制造子公司SONY幸田Tec,
SONY制品的组装子公司集结而成於2001年4月诞
生为SONY 的主力工厂.
SONY在此工厂全面导入对应无铅焊接的设
备,在2001年3月已完成约百数台的设备更新.至
今仍未有过任何一家公司导入如此多的无铅焊接设
备.
而全面更换为Sn-Ag-Cu-Bi系焊材的最初产品为
CAMERA一体型的VTR,於2001年3月上市贩卖.
此机种在SONY CAMERA一体型VTR当中属於主
力机种.在主力工厂及主力产品之无铅化完成后,
SONY其他的工厂及其他的产品也开始展开无铅
化,幸田Tec以外的工厂也导入无铅焊接设备,也
有适用无铅焊材的产品了.
四. 现今无铅焊接的困扰
■ 选择不抵触专利的组成合金
相对於选择与专利无关的焊材为主轴进行无铅化的 SONY,日立制作所,NEC 及东芝等许多的机器制造商,以同时采
用几种焊材的战略,且几乎都以专利相关的 Sn-Ag-Cu系为主力焊材,而其中以采用Sn-3Ag-0.5Cu为最多
例如:NEC 研究员河野英一便指出:综观各类焊材,以Sn-Ag-Cu系最为适合使用.所以,NEC在其PHS等制品上开
始采用 Sn-3.5Ag-0.75Cu.这些产品因为只在日本国内贩卖,所以并未涉及到美国爱荷华州立大学的专利.但是,输出
产品使用此焊材时,便涉及到是否抵触到爱荷华州立大学专利之问题.为此,在其他产品无铅化得同时,所使用的焊材
便由Sn-3.5Ag-0.75Cu变更为Sn-3Ag-0.5Cu,於2000年4月全面实行.
河野表示此为不抵触专利的安全组成领域.其他制造商也和 NEC 一样提出对策.例如:富士通,三洋电机等,当初
也考虑使用Sn-3.5Ag-0.75Cu;最后因为有专利问题,成本的问题及其它公司的动向之考量,而决定改用Sn-3Ag-0.5Cu.
日立制作所方面的动向并不很明确,但是也使用了不抵触专利的Sn-Ag-Cu系合金焊材.
■ 以Sn-Ag-Cu-Bi系突破
SONY 以与此次专利纷争无关之 Sn-Ag-Cu-Bi(Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi)系焊材而言,早已是被选定为该公司之标准无
铅焊材;所以并未受到此次专利纷争的影响,而更在这一年加速进行无铅化.
Sn-Ag-Cu-Bi系焊材,比Sn-Ag-Cu系成分增加了Bi成分,因而具有较好的润湿性,但是变得较为脆化,不易使用.
使许多制造商望而却步.
对此,SONY 表示:Sn-Ag-Cu-Bi的弱点,早已完全克服并可使用,而之所以会选择此焊材不是为了回避专利,而是
比较了各种焊材特性后决定的.
■ 专利纷争的解决受到制造商们的欢迎
以改变组合的负面变更方式进行的各采用 Sn-Ag-Cu 系
的制造商而言,是欣见解决专利纷争问题的.(解决专利纷
争,两者的权利合并供应). 许多电子制造商觉得应该没有
抵触到爱荷华州立大学的专利而选择了Sn-3Ag-0.5Cu,但是
若说绝对没有问题,心中仍存有许多的不安.在专利纷争未
完全解决之前,每家制造商都不愿成为第一家输入美国的制
造商.
甚至Sharp 还一度希望在纷争未解决之前,有关输入美
国的产品表示愿意直接支付权利金给爱荷华州立大学.
由於专利纷争的终结,也有从别种焊材变更为Sn-Ag-Cu
系焊材的制造商.如三洋电机在 2001 年 2 月开始使用
Sn-Ag-Cu-Bi 系焊材於数位相机上,现今已决定变更焊材为
Sn-Ag-Cu 系焊材.在电锅制造上,目前正检讨变更为
Sn-Ag-Cu系焊材.
东芝方面,笔记型电脑和HDD所导入之焊材,以Sn-Ag-Cu
系列和其他焊材并行的方案进行检讨,在纷争解决后,已决
定Sn-Ag-Cu 系为唯一无铅焊材.
上图采用不含铅焊材(无铅焊材)的产品陆续上市 (日立制作所,
NEC,PIONEER,三洋电机及SONY等之无铅焊材产品)
四. 现今无铅焊接的困扰
■ 阻挡Sn-Ag-Cu系的墙
Sn-Ag-Cu系焊材在进入实用化所带来的除了专利问题外,还可看出几道阻碍. 采用Sn-Ag-Cu系之制造商大部分就
像东芝一样在Sn-Ag-Cu系之外研究开发其他种类来一并进行,最大的问题在於Sn-Ag-Cu系焊材的熔融温度为 215℃~220
℃,现行焊材为183℃,Sn-Ag-Cu系高出了30℃,而焊材的熔融温度提高后,电子零件的耐热温度也必须被要求提高.
现行零件之耐热温度为230℃~240℃,制造商则要求其温度提高到 250℃~260℃.
但是实际上零件依然和以往的耐热温度一样.故焊材的熔融温度和零件的耐热温度差缩小为10℃~15℃.因此,焊
接设备要比从前在温度控制上面更为精密,而电子制造商也口径一致的表示不得不导入最新的焊接设备.
附注:⊿T越小,焊接温度控制越难,需要高精度的装置.焊接时加高温度对零件会有不良的影响.
■ 受瞩目的Sn-Zn系焊材
所有的产品和其附属的周边机器,为了排除现行的焊材,不仅是自己公司的工厂,协力工厂及海外工厂等所有生产
据点的焊接设备都必须更换,而投下巨额的设备资金.协力工厂要在何时导入 导入的规模 也无法确切的掌握
其实制造商的心声是希望尽量以现有设备来导入无铅焊材.因此,机器制造商便注意到了Sn-Zn 焊材,其熔融温
度约为187℃~197℃,与现行的焊材最为接近,可直接利用现行设备使用.零件耐热温度也不需要提高.而且没有Sn-Ag-Cu
系中所含成本较高的Ag,焊材成本较低.
由上述原因,许多制造商都认为无铅焊材中最有力的候补者不是Sn-Ag-Cu而是Sn-Zn.之前以Sn-Ag-Cu系及Sn-Zn
系两者并行的制造商,可能会因为Sn-Zn系焊材的实用化而快速进入无铅化.
■ Sn-Zn系实用化的实例 很快会出现
Sn-Zn系焊材已被实用化了.NEC於1999年10月以Sn-8Zn-3Bi的组合焊材用於生产笔记型电脑上,其理由为因
应Chip Set等耐热温度低的问题,故选择了Sn-Zn系焊材.有此采用实例的契机,Sn-Zn系一跃而成为受瞩目的焊材,许
多机器制造商和焊材制造商都投入对Sn-Zn系焊材的研究开发,而Sn-Ag-Cu系的长期专利纷争也间接助长了对Sn-Zn系
焊材的研究开发.
但是截至目前为止,除了NEC之外,并未有任何一家制造商将Sn-Zn系焊材实用化的例子.最大的障碍是Sn-Zn
系焊材非常容易氧化.现状是需要使用N2装置来对应,若以现有的焊接设备将无法对应.
尽管如此,许多制造商对Sn-Zn系的实用化并未放弃,如富士通认为:Sn-Zn是最有魅力的焊材,不能舍弃它.三
洋电机表示:一定有方法可以克服障碍使用Sn-Zn.东芝则把能在大气中使用此焊材定为目标.昭和电工及日本研磨等多
家焊材制造商认为应该对这些意见有所回应,而展开热烈的开发竞争. 虽然不知道详细的内容,但好像即将会有在大气
中使用Sn-Zn的制造商出现.昭和电工表示:只要有一个实用的例子出现的话,追随的制造商会急剧增加,进而Sn-Zn的
使用将快速的普及化.
■ 无铅技术花边轶事
为了解决上述的问题,千住金属工业以缔结许可契约的方式与爱荷华州立大学从
2000年3月开始交涉.同年6月松下电器产业以中间人的身份,促成千住金属工业与
取得爱荷华州立大学许可契约的日本SUPERIOR公司洽谈.但是事情并不是顺利的发
展.以专利为基础,从事制造,贩卖的焊材制造商和非常重视专利为智慧财产权的大
学法人,在立场不同的情况下,交涉进行并不顺利. 而事情有急转变是在2000年11
月底,在制造商们的强烈要求之下,千住金属工业对日本国内10几家机器制造商发行
暂定许可证.以此为契机,同年12月26日,两公司达成基本的同意,之后又取得同
意之内容的文字化及最后确认,终於在2001年2月14日,此专利纷争完全结束了.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
原 理
各种表面贴装元件在电路板面上的互连引脚,不管是伸脚,勾脚(J-Lead),球脚或是无脚而仅具
焊垫者,均须先在板面承垫上印著锡膏,而对各"脚"先行暂时定位黏著,然后才能使之进行锡膏融
熔之永久焊接.
Reflow是指锡膏中已熔制成的焊锡小球状粒子,又经各种热源而使之再次熔融焊接而成为焊点的
过程.
(一) 锡膏的选择与储存:
目前锡膏最新国际规范是J-STD-005,锡膏的选择则应著眼於下列三点,目的是在使所印著
的膏层都要保持最佳的一致性:
(1) 锡粒(粉或球)的大小,合金成份规格等,应取决於焊垫与引脚的大小,以及焊点体积与
焊接温度等条件
(2) 锡膏中助焊剂的活性(Activity)与可清洁性(Clean ability)
(3) 锡膏之黏度(Viscosity)与金属重量比之含量
由於锡膏印著之后,还需用以承接零件的放置(Placement)与引脚的定位,故其正面的黏著
性(Tackiness)与负面的坍塌性(Slump),以及原装开封后可供实际工作的时程寿命(Working Life)
也均在考虑之内.当然与其他化学品也有著相同观点,那就是锡膏品质的长期稳定性,绝对是首
先应被考虑到的.
其次是锡膏的长时间储存须放置在冰箱中,取出使用时应调节到室温才更理想,如此将可避
免空气中露珠的冷凝而造成印点积水,进而可能在高温焊接中造成溅锡,而且每小瓶开封后的锡
膏要尽可能的用完.网版或钢板上剩余的锡膏也不宜刮回,混储於原装容器的余料内以待再次使
用.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
(二) 锡膏的布著及预烤:
板面焊垫上锡膏的分配分布及涂著,最常见的量产方法是采用两种印刷法:
(1)"网印法"(Screen Print)
网版中的丝网本身只是载具,还需另行贴附上精确图案的版膜(Stencil),才能将锡
膏刮印转移到各处焊垫上.此种网印法其网版之制作较方便且成本不贵,对少量多样的
产品或打样品之制程非常经济.
(2) 镂空之钢板(Stencil Plate)
因网印法的缺点是不耐久印, 而且精准度与加工速度不如钢板印刷,故在大量生产的组
装厂商较少使用网印生产模式.
至於钢板印刷法,则必须采用局部化学蚀刻法或雷射烧蚀加工法,针对0.2mm厚的不
锈钢板进行双面精准之镂空,而得到所需要的开口出路,使锡膏得以被压迫漏出而在板面
焊垫上进行印著.其侧壁必须平滑,使方便於锡膏穿过并减少其积附.因而除了蚀刻镂空
外,还要进行电解抛光(Electro-polishing)以去除毛刺.甚至采用电镀镍以增加表面之润
滑性,以利锡膏的通过.
锡膏的分布涂著除上述两种主要方法外,常见者尚有:
(1) 注射布著法(Syringe Dispensing)
注射法可适用於板面高低不平致使网印法无法施工上,或当锡膏布著点不多
且又分布太广时采用.但因布著点很少故加工成本很贵.锡膏涂布量的多寡与针
管内径,气压,时间,粒度,黏度都有关.
(2) 多点沾移法(Dip Transfer)
"多点沾移法"则可用於板面较小等封装载板(Substrates)之固定阵列者,其
沾移量与黏度,点移头之大小都有关.
两种用於小批量的生产.
某些已布著的锡膏在放置零件黏著引脚之前,还需要预烤(70~80℃,5~15分钟),以
赶走膏体中的溶剂,如此方可减少后来高温熔焊中溅锡而成的不良锡球(Solder Ball),以
及减少焊点中的空洞(Voiding);但此种印著后再热烘,将会使降低黏度的锡膏在踩脚时
容易发生坍塌.且一旦过度预烤者,甚至还会因粒子表面氧化而意外带来焊锡性不良与事
后的锡球.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
(三) 高温熔焊 (Reflow)
3.1 概 说
利用红外线,热空气或热氮气等,使印妥及已黏著各引脚的锡膏,进行高温熔融而成为焊点,称
为"熔焊".80年代SMT兴起之初,其热源绝大多数是得自发热效率最好的辐射式(Radiation)红
外线(IR)式机组.后来为了改善量产的品质才再助以热空气,甚至完全放弃红外线而只用热空气.
近来为了"免洗"又不得不更进一步改采"热氮气"来加温; 能够减少待焊金属表面的氧化情
况,"热氮气"既能维持品质又能兼顾环保,自然是最好的办法,不过成本的增加却是厂商投资决策
的重要考虑因素.
除了上述三种热源外,早期亦曾用过蒸气焊接(Vapor Soldering),系利用高沸点有机溶剂之蒸气
提供热源,由於处於无空气之环境中,不会氧化之下既无需助焊剂之保护也无需事后之清洗,是一种
很清洁的制程.缺点是高沸点(B.P.)溶剂(如3M的FC-5312,沸点215℃)之成本很贵,且因含有
氟素,故长期使用中免不了会裂解产生部份的氢氟酸(HF)之强酸毒物,加以板面会经常出现小零
件之"竖碑"等(Tomb stoning)不良缺点,故此法目前已自量产中淘汰.
还有一种特别方法是利用雷射光的热能(CO2或YA G),在非焊枪式的接触下,可对各单独焊点
进行逐一熔焊.此法具快热快冷的好处,而且对极微小纤细的精密焊点相当有利.对於一般大量化之
电子商品则显得非常不切实际.其他尚有类似手工焊枪式做法的"热把"(Heat Bar)烙焊,系利用
高电阻发热的一种局部焊接法,可用之於修理重工,却不利於自动化量产.
3.2 红 外 线 与 热 风
常见红外线可按其波长概分为:
(1) 波长为0.72~1.5 m接近可见光的"近红外线"(Near IR).
(2) 波长1.5~5.6 m的"中红外线"(Middle IR).
(3) 以及热能较低波长为5.6~100 m的"远红外线"(Far IR).
红外线焊接的优点有:发热效率高,设备维修成本低,"竖碑"之缺点较蒸气焊接减少,并可另
搭配高温热气体共同操作.
缺点为:几无上限温度,会常造成烧伤,甚至导致待焊件过热的变色变质,且也只能焊SMD无
法焊PTH之插装元件脚.IR的热源有日光灯式长管状的T3钨丝灯管,属Near IR直晒热量很大,但
也容易出现遮光而热量不足的情形.
其次是镍铬丝(Nichrome)的灯管,属Near或Middle之IR类.第三种是将电阻发热体埋在矽
质可传热的平板体积中,属Middle/Far之 IR形式.此全面性热量,除了正面可将热量凌空传向待焊
件外,其背面亦可发出并针对工作物反射热能,故又称为"二次发射"(Seconding Emitter).使各种
受热表面的热量更为均匀.
由於红外线在高低不同的零件中会产生遮光及色差之不良效应,故还可吹入热风以调和色差及辅
助其死角处之不足处,并可进行PTH之插焊;因而使得早先之单纯IR者几乎为之除役.所吹之热
风中又以热氮气最为理想,其优点如下:
(1) 大幅减少氧化反应,故助焊剂已可减量使用,并亦减少清洗及降低锡球.
(2) 无氧环境中助焊剂被点燃机率减少,故可提高焊温(如300℃)加快输送速度.
(3) 树脂表面变色机率减少.
五. Reflow Soldering 回流焊装置
3.3 自 动 输 送 流 程:
连线熔焊之整体温度变化曲线(Thermo
Profile);有预热(吸热),熔焊及冷却等三
大阶层.每阶层中又有数个区段(Zones),
区段较少者(3-4段)输送速度较慢
(26cm/min),区段较多者(7段以上)则
速度加快(接近50cm/min)温控也较准确.
一般批量者以6段较合适.全线行经的时间
以4~7分钟之间为宜.
预热可使板面温度达150℃,而助焊剂
在120℃中90-150秒内即可发挥活性去除
锈渍,并能防止其再次氧化.板材的Tg温
度愈高愈好,因超过Tg以上的塑胶材料,
不但会呈现软化之塑性而大大伤害到尺度
安定性,且各方向(X.Y.Z)的膨胀加剧下
PTH也容易断孔.每种不同料号板面,均
有其最佳的输送速度,但一般性熔焊区之停
留时间可规定在30~60秒之间,焊温以220
℃为宜.量产前应分别订定出实用标准作业
程序(SOP).
六. Wave Soldering 波峰焊接
原 理:
利用马达压锡原理, 将已熔融之液锡向上扬起波峰,对斜向输送而来的PCB板,从下向上将液锡
进孔,或对点胶定位SMD元件脚进行填锡, 并形成焊点, 称为"波峰焊".目前之插装与贴装混合
的板子仍然可用.现将其重点整理如下:
(一) 助 焊 剂
波峰焊连线中, 液态助焊剂在板面涂布约有以下三种方式:
(1) 泡沬型 Foaming Fluxer (2) 波峰型 Wave Fluxer (3) 喷雾型 Spray Fluxer
1.1泡沬型 Foaming Fluxer
将压缩空气经过一种多孔性的天然石块或塑胶制品与特殊滤心 - 发泡通,使助焊剂形
成众多细小的气泡,当组装PCB板通过时,板子底面即能得到均匀的薄层涂布; 并在其离开
前须将多余的液滴,以冷空气约50~60℃之斜向予以强力吹掉 - 风刀,以防对续后的预热与
焊接带来烦恼; 并可迫使助焊剂向上涌出各PTH的孔顶与孔环,完成清洁功能.至於助焊剂
本身则应经常检测其比重,或以自动添加方式补充溶剂中挥发成份的变化.
1.2波峰型 Wave Fluxer
直接用喷口向上扬起液体,於狭缝控制下,可得到一种长条形的波峰,当组装板底部通
过时即可进行涂敷.此法可能呈现液量过多的情形,风刀(Air Knife)的吹刮动作则应更为
彻底才行.此种机型之价格较泡沬型稍贵,但却比喷雾型便宜,其中溶剂的挥发量也低於泡
沬型.
1.3喷雾型 Spray Fluxer
常用於免洗低固态之助焊剂(Low Solid;固含量约1~3%),对早先松香(Rosin)型固形物
较高的助焊剂则并不适宜.由於有机会出现堵塞情形,其协助喷出之气体最理想是采用氮
气,既可防火又能减低助焊剂遭到氧化的烦恼; 但一般应用仍是以压缩空气为主,.其喷雾的
原理也有数种不同的做法,如采不锈钢之网状滚筒(Rotating Drum)自液体助焊剂中带起液
膜,再自筒内向上吹出氮气而成雾状; 基信合创则选用高精度效能雾化喷咀, 通过调节助焊
剂流量,雾化大小,雾化形状将助焊剂均匀涂敷在焊接线路板表面.
(二) 预 热
一般波峰焊的预热参数, 是令板面升温到65 121℃之间,其升温速率约2℃/Sec 4℃/Sec
之间.预热不足时助焊剂之活性发挥可能未达极致,则焊锡性很难达到最佳效果, 或在挥发成份
尚未赶光之下,其待焊表面的助焊剂黏度仍低,将导致焊点的缩锡(Dewetting)与锡尖(Solder
Icicles)等缺陷.但预热温度太高,则又可能会对固形物太低的免洗助焊剂不利,此点须与助焊
剂供应商深入了解其助焊剂的最佳预热参数.
六. Wave Soldering 波峰焊接
(三) 波 焊
3.1锡温管理:
目前锡池中焊料的合金成份仍以Sn 63/Pb37与Sn 60/Pb40者居多,故其作业温度控制以
245 ±5℃为宜.但仍须考量到待焊板与零件之总体重量如何.大型者尚可升温到250℃,小
型板或对热量太敏感的产品,则可稍降到240℃,均为权宜的做法.且还须与输送速度及预
热进行搭配,较理想的做法是针对输送速度加以变换,而对锡温则以不变为宜,因锡温会影
响到融锡的流动性(Fluidity),进而会冲击到焊点的品质.且焊温升高时,铜的溶入速率也
会跟著增快,非常不利於整体焊接的品质管理.
3.2波面接触:
自组装板之底面行进接触到上涌的锡波起,到完全通过脱离融锡涌出面的接触为止,其
相互密贴的时程须控制在3-6秒之间.此种接焊时间的长短,取决於输送速度(Conveyor
Speed)及波形与浸深等三者所组成的"接触长度".
(1) 时程太短焊锡性将未完全发挥.
(2) 时程太长则会对板材或敏感零件造成伤害.
若波峰焊连线是直接安装在一般空气中时,则锡波表面会不断形成薄薄的氧化物,由於
流动的原因与组装板PCB不断浮刮带走,故整体尚不致累积太多的氧化物.但若将全系统尤
其是波峰焊段采用氮气环境所笼罩时,则可大大减少氧化反应的发生,当然也就使得焊锡性
有了显著的改进.
输送组装板的传动面须呈现3 ~7 的仰角,如此将使得零件本体的后方,被阻挡之"背
风波"锡流不强处的焊接动作大获改善.基信合创的设计是第一波峰采用 - "扰流波
(Turbulent Wave)",逼迫强力锡流穿过4排各种直径的迂回小孔而形成,可直接冲打到输
送中的底板表面,对通孔插脚或贴装尾部接脚等焊接非常有利.之后第二波峰,则采用抛物
线状的"平流波(Laminar Wave)"对朝下板面的接触时程较长,就板面需填锡补锡的引脚
有利,且还可消除过多的锡尖.
对於板面众多的小型片状零件(如Chip Resistor或Chip Capacitor)而言,＂扰流波″附
带的机械打击力量,还可迫使锡流包围零件四周甚至进入腹底,使其等所形成的焊点更为完
整,任何局部的缺失还可被随即报到的＂平流波″所再补足.
六. Wave Soldering 波峰焊接
3.3接触的细节:
若再仔细深入探讨其瞬间接触焊接的细节时,再分述於后:
(1) 板面与扰流波接触的初期,助焊剂立即进行挥发与分散的动作,连带使得待焊的
金属表面也开始沾锡(Wetting); 邢扰流设计配合其待焊面接受助焊剂的搓擦动
作.如此将可对贴装零件脚之填锡补锡大有助益,并可减少背风坡处的"漏焊"
(Skipping)现象.当然在双波的先强劲与后温柔的不同作用下,整体焊锡性也
将会更好.
(2) 当板面进入锡波中心处的"传热区"(Heat Transfer Region)时,在大量热能的
推动下,Wetting瞬间的散锡(Spreading)动作也迅速展开.
(3) 之后是锡波出口的"脱离区"(Break Away),此时各种焊点(Solder Joint)已
经形成,而各种不良缺点也陆续出现.组装板若能快速顺利的脱离锡波则万事太
平.难舍难分的拖锡,当然就会成为不良锡桥(Solder Bridge)或锡尖(Solder
icicles)甚至锡球(Solder Ball)的主要原因.其脱离的快慢虽直接取决於输送速
度,但除刻意将输送带平面上仰3 ~7 时,还可借助重力的协同而能更乾脆而方
便的分开.如客户特殊要求, 可以建议加装设热风修整装置 (不鼓励客户加装此
装置, 除客户属小品种大批量生产模式; 因风量调节过小, 则效果不明显, 风量
过大, 则恐怕造成气孔等不良现象;) 但此时却不能用冷风,以免造成组装品温度
过度起伏的热震荡(Thermal Shock)不良效应.
3.4氮气环境的协力:
在免洗助焊剂的弱势活力下, (只含Carboxylic Acid碳酸1%而已),还要奢求更好的焊
锡性,是一个工艺上的矛盾.然而回避溶剂清洗之环保压力既不可违,当然只好另谋他途寻
求解决.於是当波峰焊之锡池区,若能改装成氮气环境以减少氧化的不良反应者,自然大大
有助於焊接.经过众多试验结果,氮气环境的锡池区其残氧量以100ppm以下的焊锡性最为
良好,然而其成本的额外增加自是理所当然.为了节省开支,一般实用规格多半都将残氧率
范围订定在500ppm至1000ppm左右.也曾有人将甲酸的气体引入氮气环境中,或加用在助
焊剂中,以其强烈的还原性协助减少氧化反应的发生.然而此种具毒性的刺激物质,其在室
内的挥发浓度却不可超过5ppm,以免对人体造成伤害.
基信合创设计优良的"氮气保护系统", 其待焊件的进出口与充气装置等动态部份,都
已做好隔绝密封的设施,自可减少氮气的无谓消耗,此系统具有下列效益:
(1) 减少助焊剂的用量.
(2) 降低助焊剂残渣的附著性,使之较易清除.
(3) 大量减少锡池表面浮渣(Dross)的发生,节省焊锡用量,降低处理成本.
(4) 提升焊接之良率
(5) 改善焊点的外观及焊点形状.
(6) 减少机组维修的机率,增加产出效益.
六. Wave Soldering 波峰焊接
3.5波峰焊不良锡球的发生:
早先业界於焊后仍维持清洗的年代,锡球较少发生於完工板面.主要原因是焊后溶剂冲
刷清洗的功劳.如今之"免洗"不但带来板面助焊剂残渣的增加,也使得不良锡球(Solder
Ball)附著的机率变大.免洗所造成板面锡球已带来许多为头痛的问题,而且几乎都是无解
的悬案.无可奈何之下只好反过头来仔细追究为何会出现锡球
其中重要原因之一就是板面绿漆本身的硬化(Curing)不足,又经助焊剂在高温中对其
产生交互作用(Interaction),形成软泥状的环境,致使细碎的溅锡得以附著.除了加强绿漆硬
化与减少锡池溅锡外,板面零件的密集布局也会增加锡球的机率.
3.6波峰焊的问题与原因
顺序 缺点 原因之编号
1 沾锡不良或不沾锡 1,2,3,11,12,13,14,16,19,20,24,25,29,30
2 吹孔(Blow Hole)或孔中未填锡 3,4,7,8,15,17,24,26,27,29
3 搭桥短路(Bridge) 1,3,11,12,13,14,16,21,23,24,25,27,29,30,31
4 冷焊点(Cold Soldering Joints) 1,3,5,16,24,27,29
5 缩锡(Dewetting) 1,3,8,20,24,27
6 焊点昏暗不亮(Dull Joint) 9,16,25,27
7 板面助焊剂过多 3,7,14,18,19,24
8 锡量过多(Excess Solder) 2,3,6,7,10,14,18,19,24,27,31
9 锡池表面浮渣过多 10,25,26
10 拖带锡量过多 14,25,26
11 焊点表面砂粒状(Graing) 5,6,9,16,25,26,27,28
12 锡尖(Icicles) 1,3,5,8,11,12,13,14,15,24,25,26,27,29,31
13 通孔中流锡填锡不足 1,3,8,10,13,16,19,24,27,29
14 焊点之锡量不足 4
15 焊垫浮离 22,26,28
16 焊点缺锡 1,3,10,12,13,18,19,24,29,31
17 焊点中有空洞 3,4,7,8,13,15,17,24
18 溅锡(Solder Splatter) 5,7,12,13,18,21,26,27,30
19 焊后板面出现不良锡球(Solder Ball) 7,10,11,15,22,24,30
20 焊点中或锡柱出现空间 2,3,8,13,14,15,24,27
21 锡网(Webbing) 9,11,13,14,20,22,30
22 白色残渣(White Residues) 20,30
六. Wave Soldering 波峰焊接
原 因 之 编 号
1. 焊锡性不好 17. 孔径对脚径之比值过大
2. 板子在夹具上固定不牢或於输送带之移动不正确 18. 板面对锡波之浸入深度不正确
3. 输送速度太快 19. 板子夹具不正确
4. 输送速度太慢 20. 助焊剂不正确
5. 输送带出现抖动情形 21. 板面线路布局不良
6. 锡池发现铜污染或金污染 22 基材板有问题(如树脂硬化不足)
7. 助焊剂之比重太高 23. 锡波表面发生氧化
8. 助焊剂之比重太低 24. 预热不足
9. 焊锡中出现浮渣 25. 锡池焊料遭到污染
10. 锡波之规律性不良 26. 锡温太高
11. 助焊剂遭到污染 27. 锡温太低
12. 助焊剂之活性不足 28. 焊接时间太长
13. 助焊剂与板子的互动不足 29. 焊接时间太短
14. 助焊剂涂布站之操作不均匀 30. 绿漆不良或硬化不足
15. 通孔孔壁出现裂口及破洞,焊接时造成所填锡柱
被板材中蒸气吹入或吹歪而成吹孔
31. 锡波之波形或高度不适应
16. 焊点热容量不足
1. 焊锡性不好 17. 孔径对脚径之比值过大
2. 板子在夹具上固定不牢或於输送带之移动不正确 18. 板面对锡波之浸入深度不正确
3. 输送速度太快 19. 板子夹具不正确
4. 输送速度太慢 20. 助焊剂不正确
5. 输送带出现抖动情形 21. 板面线路布局不良
6. 锡池发现铜污染或金污染 22 基材板有问题(如树脂硬化不足)
7. 助焊剂之比重太高 23. 锡波表面发生氧化
8. 助焊剂之比重太低 24. 预热不足
9. 焊锡中出现浮渣 25. 锡池焊料遭到污染
10. 锡波之规律性不良 26. 锡温太高
11. 助焊剂遭到污染 27. 锡温太低
12. 助焊剂之活性不足 28. 焊接时间太长
13. 助焊剂与板子的互动不足 29. 焊接时间太短
14. 助焊剂涂布站之操作不均匀 30. 绿漆不良或硬化不足
15. 通孔孔壁出现裂口及破洞,焊接时造成所填锡柱
被板材中蒸气吹入或吹歪而成吹孔
31. 锡波之波形或高度不适应
16. 焊点热容量不足
七. 氮气保护系统的优点及应用
基信合创氮气保护无铅波峰焊 基信合创氮气保护无铅回流焊
氮气保护系统的起源
七十年代初氮气就已经应用於电子制造,但随著免清洗及SMT技术的高速发展,需要在惰性气体
环境中进行焊接,氮气的使用起始得到认同.
最初在波峰焊中使用氮气仅仅是为了降低成本:
减少或消除氧化渣 减少机器的保养 改进免清洗焊接的性能
氮气保护系统的优点
由於国际性对环保意识的重视, 低温无铅焊接技术将成为21世纪电子工业的实用课题, Sn-8Zn-3Bi
系的焊料, 一方面成本较低, 熔点为摄氏189度, 完全可以克服因应Chip Set等耐热温度低的问题; 最大
的障碍是Sn-Zn系焊材非常容易氧化, 现状是需要使用N2装置来对应,氮气保护除能减低线路板及零件
在焊接过程中产生氧化的不良影响外, 对生产运作成本,品质保证,及无铅技术的发展, 将会担当起未来
电子工业举足轻重的重要环节.
基信合创
氮气保护系统的应用
基信合创在无铅波峰焊上崭新综合采用『隧道
式』及『屏敝式』氮保护层(Envelope);
『隧道式结构』:
在印制板进出的过程中,注入焊接系统的氮气
阻止空气从开口处进入.因此,氮气维持正压.
当氮气流出波峰焊出口时,末端开口的部份设计有
排放氮气的方法, 作用是需要平衡这种"废气",以
便将房间的空气送到排气管,为有助於防止废气从
隧道中抽吸过量的氮气; 基信合创的关键技术是要
降低温度以减少氮气的损耗.
『屏蔽式设计』 (Shroud):
没有焊接组件时,系统进入等待模式,将焊接
波峰设置在较低的高度以减少氧化渣的形成,并停
止或降低氮气的流速.当系统探测到印制板时,重
新激活正常作业控制设置; 以进一步提升高温焊接
区域内的氮气精纯度, 提供最理想的焊接环境, 并
有效降低氮气的消耗量.
基信合创在无铅回流焊焊接过程中,应用氮气
取代系统中的氧气.氮气可引入到每一个区域,不
只是在回流区,也用於制程的冷却过程.在回流焊
制程中,使用氮气对於铜基印制板是特别有益的.
基信合创回流焊接中使用氮气有以下的优点:
端子和焊盘的润湿(wetting)较快
可焊性变化少
改善了助焊剂残留物和焊点表面的外观
快速冷却而没有铜氧化
The Brief Introduction
of
Truth Genesis
Nitrogen Protective
System
Our Truth Genesis Nitrogen Protective System monitors the oxygen content of the inert atmosphere in
the preheat tunnel and during the soldering process, which automatically adjusts nitrogen flow to maintain the
oxygen content at less than 200ppm.
The low oxygen content of the atmosphere minimizes oxidation of PCBs in the preheat tunnel and reduces
dross production in the soldering area. By continuously monitoring the oxygen content of the atmosphere, the
system automatically injects just the amount of nitrogen required to stay within specification.
Compared with fixed flow systems, minimizes nitrogen consumption whilst ensuring that the oxygen
content of the atmosphere stays within the desired range. Because Truth Genesis specializes in the production of
high specification boards, run size can vary considerably from day to day and the reliable nitrogen control keeps
the system more tolerant by maintaining low dross level at all times. With on time delivery at better than 98%
and first time customer acceptance at better than 99%, plant availability and reliability are both very important
to Truth Genesis.
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