鋓料性质对焊接的影响

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1、銲料性質對焊接的影響1.前言 目前各種形式的合金焊料，其最權威的國際規範為J-STD-006。此文獻之最新版本為1996.6的Amendment 1，由於資料很新，故早已取代了先前甚為知名的美國聯邦規範QQ-S-571。IPC還有一份重要的焊接手冊IPC-HDBK-001其中之4.1，曾定義“熔點”在430℃以下為“軟焊”(Soldering)，也就是錫焊。另熔點在430℃以上稱為 “硬焊”（Brazing），係含銀之高溫高強度焊接。早期歐美業界，亦稱熔點600℉（315℃）以下者為軟質銲錫，800℉（427℃）以上者為硬質焊錫。原文Solder定義為錫鉛含金之焊料，故中譯從金旁為“銲錫”，

2、而利用高熱能進行熔焊之Soldering（註意此一特定之單字，並非只加ing而已），則另從火旁用字眼的“焊接”，兩者涵義並不完全相同。2.共熔(晶)銲錫 銲錫焊料（Solder）主要成分為錫與鉛，其他少量成分尚有銀、鉍、銦等，各有不同的熔點（M.P.），但其主要二元合金中以Sn63/Pb37之183℃為最低，由於其液化熔點（Liquidus Point）與固化熔點（Solidus Point）的往返過程中，均無過渡期間的漿態（pasty）出現，也就是已將較高的“液化熔點”與較低的“固化熔點”兩者合而為一，故稱為“共熔合金”。且因其粗大結晶內同時出現錫鉛兩種元素，於是又稱為“共晶合金”。此種無

3、雜質合金外表很光亮之“共熔組成”（Eutectic Composition）或“共熔銲錫”（Eutectic Solder），其固化後之組織非常均勻，幾無粒子出現。其合金比例之不同將影響到熔點變化，該變化之“平衡相圖（Phase Diagram）”，圖請參考第12期TPCA會刊。另一種組成接近共熔點的Sn60/Pb40合金，則在電子業界中用途更廣，主要原因是Sn較貴，在焊錫性（Solderability）與銲點強度（Joint Strength）幾無差異下，減少了3﹪的支出，自然有利於成本的降低。與前者真正共熔合金比較時，此60/40者必須經歷少許漿態，故其固化時間稍長，外觀也較不亮，但其銲

4、點強度並無不同。不過後者若於其固化過程中受到外力震動時，將出現外表顆粒粗麻之“擾焊”現象（Disturbed）之銲點，甚至還可能發生“縮錫”（Dewetting）之不良情形。3.銲料之特性 除了“銲錫性”好壞會造成生產線的困擾外，“銲點強度” （Joint Strength）更是產品後續生命的重點。但若按材料力學的觀點，只針對完工銲料的抗拉強度（Tensile Strength）與抗剪強度（Shear Strength）討論時，則並不務實。反而是高低溫不斷變換的長期熱循環（Thermal Cycling，又稱為熱震盪Thermal Shock）過程中，其等銲點由於與被焊物之熱脹係數（TCE）

5、不同，而出現塑性變形（Plastic Deformation），再進一步產生潛變（Creep）甚至累積成疲勞（Fatigue）才是重點所在。因此等隱憂遲早會造成銲點破裂（Crack）不可收拾的場面，對銲點之可靠度危害極大。元件的金屬引腳與元件本體，及與板面銲墊之間的熱脹係數（TCE）並不相同，因而在熱循環中一定會產生熱應力（Stress）進而也如響應斯的出現應變（Strain），多次熱應力之後將再因一再應變而“疲勞”（Fatique），終將使得銲點或封裝體發生破裂，此種危機對無腳的SMD元件影響更大。現將常見共熔銲料之一般機械性質整理如下：3.1共熔點63/37的銲料，其常溫中的抗拉強度（T

6、ensile Strength）為7250 PSI，而常見冷軋鋼（Cold Rolled Steel）卻高達64,000 PSI，但此抗拉強度對銲點強度的影響反不如抗剪強度（Shear Strength）來的大，若加入少量銻後成績會較好。至於展性（Ductility）與彈性模數（Elastic Modulus）則63/37者均比其他高熔點者二元合金要更好，兩合金之導電導熱則比純錫差，且隨鉛量增加時會呈少許下降。一般63/37者其強度較其他比例更好。多錫者也比多鉛者為強。3.2各種比例的錫鉛合金焊料，其強度均比單獨錫鉛金屬較好。比重值則隨鉛量愈多而增大，呈液態時表面張力與合金比例的關係不大。3

7、.3銲點抗潛度（Creep）能力的好壞，對可靠度的重要性將遠超過抗拉強度。不幸的是愈接近共晶比例而結晶粒子愈粗大者，其潛變也愈大。而柱狀結晶的抗潛變能力也不如等軸結晶（Equiaxial）者。銲點合金在長期的負荷下會出現原子結晶格子（Atom Lattice）的重整；也就是銲點經長時間劣化下，最後終究會發生故障，原因當然是長時間應力而帶來過度“應變”而成“疲勞”所致。3.4銲點強弱與助銲劑，銲錫性及IMC有關