| 白蓉生细说无铅回焊
所谓的Reflow，在表面贴装工业（SMT）中，是指锭形或棒形的焊锡合金，经过熔融并再制造成形为锡粉（即圆球形的微小锡球），然后搭配有机辅料（助焊剂）调配成为锡膏；又经印刷、踩脚、贴片、与再次回熔并固化成为金属焊点之过程，谓之Reflow Soldering（回流焊接）。此词之中文译名颇多，如再流焊、回流焊、回焊（日文译名）熔焊、回焊等；笔者感觉这只是将松散的锡膏再次回熔，并凝聚愈合而成为焊点，故早先笔者曾意译而称之为“熔焊”。但为了与已流行的术语不至相差太远，及考虑字面并无迂回或巡回之含意，但却有再次回到熔融状态而完成焊接的内涵，故应称之为回流焊或回焊。
图1 左图为位于观音工业区的协益电子公司，其SMT现场安装之锡膏印刷机，为了避免钢板表面之锡膏吸水与风干的烦恼起见，全机台均保持盖牢密封的状态。右为开盖后所见钢板、刮刀及无铅锡膏刮印等外貌。
SMT无铅回焊的整体工程与有铅回焊差异不大，仍然是：钢板印刷锡膏、器件安置（含片状被动组件之高速贴片，与异形零件大形组件之自动安放）、热风回焊、清洁与品检测试等。不同者是无铅锡膏熔点上升、焊性变差、空洞立碑增多、容易爆板、湿敏封件更易受害等烦恼，必须改变观念重新面对。事实上根据多年量产经验可知，影响回焊质量最大的原因只有：锡膏本身、印刷参数以及回焊炉质量与回焊曲线选定等四大关键。掌握良好者八成问题应可消弭之于无形。
二、锡膏的制造与质量
2.1锡膏组成与空洞
图2 锡稿回焊影响其锡性与焊点强度方面的因素很多，此处归纳为五大方向，根据多年现场经验可知，以锡膏与印刷及回焊曲线（Profile）等三项占焊接品质之比重高达七八成以上，以下本文将专注于此三大内容之介绍，至于机器操作部分将不再著墨。
锡膏是由重量比88-90％的焊料合金所做成的微小圆球（称为锡粉Powder），与10-12％有机辅料（即通称之Flux助焊剂）所组成；由于前者比重很大（7.4-8.4）而后者的比重很轻（约在1-1.5），故其体积比约为1：1。SAC无铅焊料之比重较低（约7.4），且因沾锡 较差而需较多的助焊剂，因而体积比更接近1：1。故知锡粉完成愈合形成焊点之回焊后，其浓缩后的体积将不足印膏的一半。一旦外表先行冷却固化，深藏在内的有机物势必无法逃出，只好被裂解吹胀成为气体。此即锡膏回焊之各种焊点中，气洞或空洞（Voiding）无所不在的主要成因，其数量与大小均远超过波焊。
10-12％有机辅料（即通称之Flux助焊剂）所组成；由于前者比重很大（7.4-8.4）而后者的比重很轻（约在1-1.5），故其体积比约为1：1。SAC无铅焊料之比重较低（约7.4），且因沾锡 较差而需较多的助焊剂，因而体积比更接近1：1。故知锡粉完成愈合形成焊点之回焊后，其浓缩后的体积将不足印膏的一半。一旦外表先行冷却固化，深藏在内的有机物势必无法逃出，只好被裂解吹胀成为气体。此即锡膏回焊之各种焊点中，气洞或空洞（Voiding）无所不在的主要成因，其数量与大小均远超过波焊。
图3 无铅锡膏中之锡粉(Powder指微小球体)约占重量比88-90%，必须正圆正球形才能方便印刷中的滑动。由于硬度较软容易被压伤，故搅拌时要小心。左二图即为无铅锡粉之放大图。右图为锡膏中大小锡粉搭配成型的印著画面。
现行无铅锡膏以日系SAC305为主（欧系SAC3807，或美系SAC405等次之），日系尚另有SZB83，及SCN等。至于AIM公司的著名锡膏CASTIN（Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb）之四元合金在亚太地区则很少见到。
图4 锡粉是从熔融液锡所成形而调制，左图为氮气塔中利用强力氮气喷成粉体之情形，右为液锡在离心力设备上甩出成粉的另一种制
图5
左上图为有铅锡粉在SEM中的图像，其表面花纹的白色部分是铅（因原子量较大，故会反射电子而成），黑色部分为锡（恰与光学显微镜之黑白相反）；左下图为无铅锡粉两者之对比。上 图为锡膏配制的示意图，其中有机物之重量比虽只占10-12%但体积比却高达50%以上。
将原始焊锡合金在氮气环境中先行熔成液态，继以离心力容器将之甩出来成为小球状的锡粉；或采氮气强力喷雾法，在氮气高塔中冷却及下降而成为另一种锡粉。之后分别用筛子筛选出各种直径的小球，然后再按尺寸大小采重量比例去与助焊剂调配与混合，即成为回焊用的锡膏。
对于锡粉的基本要求比起助焊剂来较为简单，其质量重点只要求外形一定要正圆球形，以符合印刷作业中向前滚动的条件。其次是直径尺寸应大小匹配互补，以减少印刷后贴件或踩脚时的坍塌（Slump）。第三项质量是外表所生成的氧化物不可太厚，否则在助焊剂未能彻底清除下，熔融愈合中将会被主体排挤出去而成为不良的锡球。不过一旦外表完全无氧化物时，也较有机会发生“冷熔”（Cold Welding）现象进而容易堵死钢板开口。通常要求开口之宽度以并迭5-7颗主要锡球为原则。
2.3助焊剂之成份及品质
助焊剂（Flux）之成份非常复杂，已成为影响锡膏乃至于回焊质量之最关键部份，且更成为品牌好坏的主要区别所在。其主要成份有树脂（Resin）、活化剂（Activator）、溶剂 （Solvent）、增黏剂（Tackifier即摇变剂）、流变添加剂（Rheological Additives）亦称抗垂流剂（Thixotropic Agent，或称摇变剂或触变剂或流变剂等）、表面润湿剂（Surfactant）、腐蚀抑制剂等，现简要说明于后：
树脂——也就是整体助焊剂的基质，一向以水白式松香（Rosin或称松脂）为主，常温中80-90％为固体形式的松脂酸（Abietic Acid），高温中将熔融成为液体并展现活性 （常温中不具活性），可用以去除焊料或待焊底材等某些表面轻微的氧化物。
活化剂——以二元式固体有机酸为主（指含两个羧酸根COOH者），例如草酸、己二酸；其次是固态的卤化盐类〔例如二甲胺盐酸(CH3)2NHHCL〕等，在高温中亦可熔化成液态而得与各类氧化物进行反应，可将之去除并得以改善沾锡性。
各种活化剂去锈（去除氧化物）的原理，其一可说明为有机酸或卤酸与各种金属氧化物在热能的协助下，进行多次化学反应，使之转变为可溶性金属卤化盐类而得以移除：
 
图7 此图说明印妥之锡膏在预热中，会引发锡粉表面甚至铜垫的氧化，但到达峰温时，在助焊剂迅速发挥威力下可对各种氧化物进行化学反应并使之溶解，进而出现锡粉的熔融愈合。在此等反应进行的同时也将出现金属盐类与多量的气体，以致冷却后的焊点中免不了会出现空洞。
其二为氧化还原反应，以甲酸（蚁酸）将金属氧化物予以还原，并再经后续之热裂解反应，最具代表性：
溶剂——以分子量较大的某些高级醇类，或醚类酮类等较常被采用，可用以溶解某些固态的有机物；例如M-Pyrols即为著名的溶剂化学品。
抗垂流剂——此剂可在锡膏运动或摇动（触动）中，出现较易流 动现象；但在静置时却又会坚持抗剪力，而具有不轻易移动 特性的化学品。如此将可使锡膏在刮刀推行印刷时容易滚动，一旦印着定位后的锡膏，则又可强力协助其保持固定不动的状态。此类添加剂以篦麻油衍生物为主，可增加锡膏的黏度及黏着力（Tack Force）。
按照J-STD-005锡膏规范（表2A与2B，见次页），依比例选出表列各种直径的锡粉，然后搭配助焊剂，于特殊“双行星轨道”之混搅机中进行轻柔搅拌（Double Planetary Mixing）中，在不伤及锡粉下可使均匀混合成为锡膏。此种“双行星”搅拌方式，是利用两具双拌桨，从同一轴心对容器内的膏体进行慢速旋转搅拌。该四桨叶是以其厚度方向从膏体的外缘连续划过，逐渐逼使内外膏料产生高效率的混合，只要划过3圈后，大部膏料均已完成彼此混合；旋转36圈后，任何一桨均已与全部成员完成接触，是一种很温柔但却高效的搅拌机。
图8
此为ROSS出品，专门用于配制锡膏时的双行星搅拌机（有各种大小机型）与其划浆，及其温柔搅混过程的三种示意图。
锡膏在印刷刮刀之水平推行中不但要容易滚动，而且穿过钢板开口着落在PCB焊垫上还要黏牢，要求印后十小时以内，或于零件踩脚时，均不可发生坍塌的情形。故知其商品之难度颇高，质量亦非常讲究。
锡膏是一种高单价的物料（以SAC305锡膏而言，每公斤即在N.T.2000元以上），一旦发现吸水则只有报废一途以减少后患。国际规范J-STD-005在其表2A与2B中，已将六种型式（Type）锡膏中的锡粉，按不同直径在重量百分比方面加以规定，以减少在印刷与踩脚时的坍塌，并在热风回焊中容易愈合成为良好的焊点。下列者即为各型锡膏中锡粉组成之百分比，其中最常用者为Type3（主要锡粉直径为35-38μm），其次是用于密距窄垫的Type4（锡粉直径以30μm为主），其它Type在组装业界较少使用（其它Type5 or 6系用于覆晶Flip Chip之封装）。
2.5锡膏现场作业性品质
事实上锡膏质量之待检项目甚多，不同规范亦有不同的要求，一般在作业质量与后续可靠度方面，平均即有15-20项之多。供货商也并非在每次出货时都要每项必做。至于使用者则只需就其生产作业的必要性，且在无需精密昂贵仪器的条件下，以简易的手法检测其关键项目即可。以下五种质量项目即按此种观点而选列，可供使用者现场参考。
（1）愈合性（凝聚性或熔合性）试验
Solder Ball Test（IPC-TM-650之2.4.43），是在阳极处理过的铝板上，加印一个小圆饼形的锡膏 （直径6.5mm厚度2mm），然后小心平置于小型锡池上，无铅锡池之温度设定为245-255℃。此时锡膏中的锡粉开始受热愈合成为一个圆顶型的焊饼，锡膏中已熔化的助焊剂则被不断挤出而向外扩张。放置5秒钟后即小心水平取下并放平，直到冷却后才以10-20倍放大镜去做检查。此试验是在检查锡粉愈合的能力如何？其中若已部份生锈而无法愈合之下，将随Flux向外扩散成为卫星状的小碎球。
图9
此为锡膏规范中测试愈合性（Coalescence）的允收与拒收画面，其金属载板为阳极处理过的铝板，只做为传热的工具。良好的锡膏熔合后其锡粉会集中成球，其中氧化较严重锡粉，在无法熔合下，将被排挤出来随著助焊剂的扩散而向外流失，下二图即为流失者太多而遭到拒收的画面。
本试验选用Al2O3皮膜的铝板，是刻意将其当成传热载体而不使产生沾锡反应（即出现IMC），纯粹只在了解锡粉本身愈合能力的好坏而已。也可在完成锡膏印刷并于室温中放置24小时后，再进行愈合试验，以观察其抗湿及抗氧化的能力如何。前页之四图即为J-STD-005在3.7节中所列之有铅锡膏允收规格之图标画面。
至于无铅锡膏愈合能力的允收情形则目前尚无规格，预计J-STD-005A于2006下半年内发布后即可有所依循。下列之五图即为无铅膏在氧化铝板与铜板上另于回焊中所做愈合试验的比较。
图10 上图为锡膏在铝板上受热而愈合的画面，下三图锡膏在基材板铜面上的熔合情形。由于锡与铜之间会出现焊接反应并生成Cn6Sn5 的IMC,故其愈合后的外观与铝铜板上不同。
图11
此为无铅与有铅两种锡膏，在窄铜面上散锡性的比较。相同条件下无铅锡膏的焊锡性就相形见拙了。
有铅焊料（63/37）之表面张力（Surface Tension）为0.506 N/m；但SAC305之表面张力却增为0.567N/m，比起前者要超出20%之多。表面张力加大即表内聚力（Cohesive Force）增加，而向外扩展的附着力（Adhesive Force）却减小。于是无铅锡膏在散锡性方面当然就比起有铅锡膏差了一截，若能在助焊剂的活化性能方面有所提升时，也许无铅膏还可展现较好的焊锡性。
日商对此做法是利用1.6mm厚的双面板，做出32mil（800μm）宽的多条并行线路，之后加全面印绿漆而留出线路中间2cm长的裸铜区（或另加做不同的表面处理以方便评比）。于是在此可焊区的中央印刷上直径950μm厚度150μm（6mil）的无铅锡膏，然后利用生产线的回焊曲线进行试焊，并观其向两侧散锡的能力。只需简单的量测已散锡的长短，即可知晓其可焊皮膜或锡膏品牌，在“散锡”(Spreadability)方面的质量好坏了。
图12 此为日本工业规范对锡膏在散锡性方面的试验方法，可针对锡膏品牌或可焊性表面处理进行散锡性的评比，孰优孰劣立见分晓。
（3）黏度试验Viscosity Test与黏度指数（Thixotropy）
每批进料锡膏之保证书中，虽已明列其黏度数据，但为确保其出货中的质量起见，亦应在入库前按J-STD-005之3.5节与IPC-TM-650之2.4.34.3 节，抽检其黏度值。其做法是将已回温（5-6小时）的锡膏，开盖后先用搅拌刀从其刀口方向轻搅1-2分钟，再整罐置于专业黏度仪（例如Malcom之PCU201型）之测座上，并将感测头（Sensor）伸入膏体中，续以10 rpm的慢转速度，在25℃下取20分钟后的量测数据做为纪录即可。
（3）黏度试验Viscosity Test与黏度指数（Thixotropy）
每批进料锡膏之保证书中，虽已明列其黏度数据，但为确保其出货中的质量起见，亦应在入库前按J-STD-005之3.5节与IPC-TM-650之2.4.34.3 节，抽检其黏度值。其做法是将已回温（5-6小时）的锡膏，开盖后先用搅拌刀从其刀口方向轻搅1-2分钟，再整罐置于专业黏度仪（例如Malcom之PCU201型）之测座上，并将感测头（Sensor）伸入膏体中，续以10 rpm的慢转速度，在25℃下取20分钟后的量测数据做为纪录即可。
至于黏着指数（或称抗垂流指数Thixotropy）之质量项目，事实上美式锡膏规范J-STD-005并未列入，至于其新A版中是否已纳入则目前尚不得知。日本工业标准JIS-Z-3284则已实行多年，其做法是先求出上述10rpm在20分钟后的黏度值后，再分别另行测出3rpm的6分钟数据，及30rpm的3分钟数据。然后将此两种数据分别求取对数值（Log），此等读值应落在0.45-0.65之间。所谓的Thixotropy也就是控制Slump的能力如何的指标，可令读者较易体会其与抗坍塌性或抗垂流性之间的关系。也就是说印刷后较长时间的置放中（例如10小时），观察是否出现坍塌现象的质量。
图14 此为了解粘著指数所刻意印刷之锡膏，可做为现场对比之用。希望其数据能落在0.4与0.6之间，即最为理想最适合生产用途。
（4）黏着力（Tack Force）
按IPC-TM-650之2.4.44法，在室温环境（25℃，50%RH）中，于玻璃板面印着四个均等圆盘形的锡膏（直径6.5mm厚度0.2mm），再利用精密拉力计所加装之平头不锈钢探棒（直径5.1mm），对准所印之锡膏以2.0mm/s的降速压进锡膏中，并施以重力50g进行0.2秒的压着，然后另以10mm/s的升起速度将探棒缓缓拉起。此时可按下图纪录其向上拉脱时的最大力量，如此共做5次再求取其平均值，即为其纪录用的黏着强度或黏着力之数据（KN/m2）。
图15 右图为粘著力试验所印刷的四个锡膏位置，上图为压著探头下压及拔起的示意图，及其所对应出力大小的座标曲线图。
（5）印刷能力（Printability）
是指对密距（Fine Pitch）多垫区（例如QFP之连垫），或直径很小的圆垫等连续印刷多次，希望仍不致造成黏度值或抗垂流性的改变，甚至放置10小时仍未发生坍塌的情形。此种特性对于连续施工颇为重要，对现场而言此检验方法也并不困难，美式规范中亦未列入此项，日系规范可参考JIS-Z-3284附件5。下二图即为首印样与第30次印样的比较。
图16
左为疏距（例如20mil）与密距(例如5mil)所并列之锡膏印样;上图则为开封之锡膏先印一样，然后到达锡膏第30次印刷时，另印另一样。之后进行比对并观察后者是否在密距处发生异常坍塌情形。上二图即为其前后两印样的对比图。
待续
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