焊料性质对焊接的影响

焊料性质对焊接的影响
1.前言
目前各种形式的合金焊料，其最权威的国际规范为J-STD-006。此文献之最新版本为1996.6的Amendment 1，由于资料很新，故早已取代了先前甚为知名的美国联邦规范QQ-S-571。IPC还有一份重要的焊接手册IPC-HDBK-001其中之4.1，曾定义“熔点”在430℃以下为“软焊”(Soldering)，也就是锡焊。另熔点在430℃以上称为 “硬焊”（Brazing），系含银之高温高强度焊接。早期欧美业界，亦称熔点600℉（315℃）以下者为软质焊锡，800℉（427℃）以上者为硬质焊锡。
原文Solder定义为锡铅含金之焊料，故中译从金旁为“焊锡”，而利用高热能进行熔焊之Soldering（注意此一特定之单字，并非只加ing而已），则另从火旁用字眼的“焊接”，两者涵义并不完全相同。
　
2.共熔(晶)焊锡
焊锡焊料（Solder）主要成分为锡与铅，其它少量成分尚有银、铋、铟等，各有不同的熔点（M.P.），但其主要二元合金中以Sn63/Pb37之183℃为最低，由于其液化熔点（Liquidus Point）与固化熔点（Solidus Point）的往返过程中，均无过渡期间的浆态（pasty）出现，也就是已将较高的“液化熔点”与较低的“固化熔点”两者合而为一，故称为“共熔合金”。且因其粗大结晶内同时出现锡铅两种元素，于是又称为“共晶合金”。此种无杂质合金外表很光亮之“共熔组成”（Eutectic Composition）或“共熔焊锡”（Eutectic Solder），其固化后之组织非常均匀，几无粒子出现。其合金比例之不同将影响到熔点变化，该变化之“平衡相图（Phase Diagram）”，图请参考第12期TPCA会刊。
另一种组成接近共熔点的Sn60/Pb40合金，则在电子业界中用途更广，主要原因是Sn较贵，在焊锡性（Solderability）与焊点强度（Joint Strength）几无差异下，减少了3﹪的支出，自然有利于成本的降低。与前者真正共熔合金比较时，此60/40者必须经历少许浆态，故其固化时间稍长，外观也较不亮，但其焊点强度并无不同。不过后者若于其固化过程中受到外力震动时，将出现外表颗粒粗麻之“扰焊”现象（Disturbed）之焊点，甚至还可能发生“缩锡”（Dewetting）之不良情形。
　
3.焊料之特性
除了“焊锡性”好坏会造成生产线的困扰外，“焊点强度” （Joint Strength）更是产品后续生命的重点。但若按材料力学的观点，只针对完工焊料的抗拉强度（Tensile Strength）与抗剪强度（Shear Strength）讨论时，则并不务实。反而是高低温不断变换的长期热循环（Thermal Cycling，又称为热震荡Thermal Shock）过程中，其等焊点由于与被焊物之热胀系数（TCE）不同，而出现塑性变形（Plastic Deformation），再进一步产生潜变（Creep）甚至累积成疲劳（Fatigue）才是重点所在。因此等隐忧迟早会造成焊点破裂（Crack）不可收拾的场面，对焊点之可靠度危害极大。
组件的金属引脚与组件本体，及与板面焊垫之间的热胀系数（TCE）并不相同，因而在热循环中一定会产生热应力（Stress）进而也如响应斯的出现应变（Strain），多次热应力之后将再因一再应变而“疲劳”（Fatique），终将使得焊点或封装体发生破裂，此种危机对无脚的SMD组件影响更大。现将常见共熔焊料之一般机械性质整理如下：
3.1共熔点63/37的焊料，其常温中的抗拉强度（Tensile Strength）为7250 PSI，而常见冷轧钢（Cold Rolled Steel）却高达64,000 PSI，但此抗拉强度对焊点强度的影响反不如抗剪强度（Shear Strength）来的大，若加入少量锑后成绩会较好。至于展性（Ductility）与弹性模数（Elastic Modulus）则63/37者均比其它高熔点者二元合金要更好，两合金之导电导热则比纯锡差，且随铅量增加时会呈少许下降。一般63/37者其强度较其它比例更好。多锡者也比多铅者为强。
3.2各种比例的锡铅合金焊料，其强度均比单独锡铅金属较好。比重值则随铅量愈多而增大，呈液态时表面张力与合金比例的关系不大。
3.3焊点抗潜度（Creep）能力的好坏，对可靠度的重要性将远超过抗拉强度。不幸的是愈接近共晶比例而结晶粒子愈粗大者，其潜变也愈大。而柱状结晶的抗潜变能力也不如等轴结晶（Equiaxial）者。焊点合金在长期的负荷下会出现原子结晶格子（Atom Lattice）的重整；也就是焊点经长时间劣化下，最后终究会发生故障，原因当然是长时间应力而带来过度“应变”而成“疲劳”所致。
3.4焊点强弱与助焊剂，焊锡性及IMC有关，由许多试验结果可知，强度与填锡量多少无关，锡量太多反而无益。焊接时间不宜超过5秒，愈久愈糟，焊温也不可太高。