無鉛製程專區
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  鉛(Pb)原子代號82,原子量207.19, 自古以來即被人 類廣泛使用至今, 鉛(pb)被視為極有利用價質之金 屬原素之ㄧ。但負面而言,鉛也帶給人類環境污染上的危害。近年來以歐美諸國為中心,各種對鉛的使用 規制及法律的製定,正快速的進行中。特別是對於環 境上所造成的問題,不論是回收,資源再利用等等,各 種無鉛之替代製品的研究與開發被視為當務之急。 尤其在電子相關產業上,電子零件接合用之無鉛焊材 的開發與實用化,列為重要課題之一。在此,本研究 報告為本公司致力於次世代之電子零件接合用之無 鉛焊材的開發與實用化之相關報告, 做一簡單介紹。


  至今無鉛焊材的開發狀況,所被發表焊材大都以低溫無鉛焊材為主流。關於高溫領域仍處於 考察,開發的階段。另外低溫無鉛焊材其性能到目前尚無法完全取代現在主流焊材合金(Sn6/P.b37)。為了對應能適用於各式各樣接合條件、用途並解決環境、資源問題,所以新無鉛焊 材的開發與實用化為重要課題。無鉛焊材的開發在目前的各研究結果上有不同的見解,不過 須從電子工業製品的技術革新及整合、生產系統的改良等和合金本身的特性加以徹底研究 考察,才能最有效率的達成目標。無鉛焊材所被要求的物性、性能及製品上的特長,另與各 實裝部品和實裝業界各不同分野的生產成本及實裝性、接合品質及信賴性、印刷性、迴焊 性、氧化物 的抑制、基板界面與零件部品的反應、壽命耐久度及耐疲勞性等。為使其實用 化,必須列入各樣條件綜合檢討。




 
為實現無鉛焊材早日實用化,必先確定其物性的檢討,如成本、溶解溫度、機械拉力、延展性、迴焊時間、應力、擴張力、組織變化、接合剪斷.剝離強度、接合耐疲勞強度等。針對63Sn與無鉛焊材各合金以其系統別將其特性列表,作為合金開發參考指標。


針對63Sn合金與無鉛合金的主要特性

合金系統指標
▽0………………1▽………………2▼









成 本 ( 低 → 高 )
Cost
Sn63      SnZn        SnAg              SnIn
SnBi                            
溶融溫度 ( 低 → 高 )
Melting temp
     SnIn      Sn63            SnAg
         SnBi                  SnZn
機械拉力 ( 弱 → 強 )
Bulk tensil
SnIn                          Sn63           SnBi  
SnAg        SnZn     
延展率 (弱 → 強 )
Bulk extensibility
         SnBi               Sn63                 SnIn
                  SnZn         SnAg
迴焊時間 N2 (快 → 慢)
Wetting time
     Sn63            SnZn
               SnBi             SnAg
迴焊應力 N2 ( 低 → 高 )
Wetting stress
                SnZn       Sn63
                         SnBi   SnAg
擴張率 ( 小 → 大 )
Wetting spreadability
SnZn                       Sn63
          SnAg 其他
組織變化 ( 大 → 小 )
Compositional change
                SnBi       Sn63                    SnAg
  SnIn                            SnZn
接合剪斷強度( 低 → 高 )
Shear strength of joint
  SnIn                     Sn63
                       SnZn     SnAg
剝離強度 ( 低 → 高 )
Bulk lifetime
                   SnZn   Sn63
   SnBi                         SnAg
耐疲勞強度( 低 → 高 )
Creep of Leed
      SnBi                                            SnAg
Sn63
   SnIn                                        SnZn

         在以各合金之系統別,並以其溫度特性、擴散性、合金的物理特性、壽命、 強度(劣化度)、迴焊爐條件、接合點強度、二次加工性(PASTE PRERORM BALL等 等,使用型態之適合性)及回收再利用性等,綜合面之觀點加以評估的話,則能 如下3點具體的,將其開發內容明確化。 

  1. 無鉛焊材合金的開發,首先所需要考慮之要素為主成分的選擇,從成  本、合金時的溫度、特性來看,除了以Sn為中心為主軸之外無從選擇 

  2. 為了合金化,所以添加元素加以考察,再依上記的各特性來選擇以Bi、  Zn、Cu為最有力之選擇,在於In方面若於成本上被所容許,也可能採用,  因此從成本之performance的觀點來看,除了高附加價值之商品之外,  In的添加並不能帶來任何利益。 

  3. 以Sn為中心各種合金的組合,特性現依然不能完全確認,依現在所被  公開之研究DATA開發事例來加以考察,可以確認能完全代替Sn63的合  金特性組成的合金,可以說是不存在的。因此無鉛焊材的選擇雖有各  種要求,第一要目以性能或規格來做選擇。但在選擇之合金組成,所  能被應用及容許範圍就變得非常狹窄。


☆在各合金組成的選擇上大略可分為 三大類 

第一類------高溫域、安全性、信賴性重視為主      

                   Sn-Ag     

                   Sn-Ag(Cu)-Bi(微量) 

第二類------接近共金焊材的作業溫度為重點考量     

                   Sn-Zn     

                   Sn-Zn-Bi(微量) 

第三類------追求低熔點溫度為重點考量     

                   Sn-Bi(微量)-(Ag)-(Cu)      

                   Sn-Zn-Bi(多量) 根據各族群加以個別檢討,依合金的定性與趨勢做為選擇基礎。

 

第一類族群: 因溶融溫度較高,因此焊材的信賴性較佳。依現有研究及過去

                       實績而言也較其 安定。接著焊材本體耐疲勞強度也較良好,與

                       素材的反應也較Sn63較小。並且 焊材本體的變化也較小。從

                       化學的信賴性而言,銀並不單獨存在,所以就化合 物的特性較佳。 

 

第二類族群: 第二類族群的優點是以Sn-Zn為主體,共晶溫度比第一類族群:

                       的溫度低約15~20℃ 。這是添加第三種元素使得溫度差得

                       以維持。若能完全接合,強度非常高。但在大 氣中的應用及

                       商品化還須花費相當功夫。素材與其反應較大。焊材本體

                       變化較大。 Zn的固溶相限較小, 從化學的信賴性而言,Zn

                       單獨存在,所以生成之化合物的特性較 差。 

 

第三類族群: 第三類族群以溶融溫度為優先選擇。但接合信賴度差,在控制

                       上較困難,所以其優 點只有作業溫度為優點。


  在Sn系的場合,焊材合金本體之強度問題,在此不加以討論。對於變形上的抵抗度加 以比較,原本Sn就比Pb的抵抗度大,這是因為主要添加其它元素之析出型效果之影響 ,因此抵抗越大,相對的強度也成比例增加。另外在無鉛焊材合金上,因以Sn為主軸 ,因此由於Sn的影響下modulus比一般的Sn-Pb系,比較下會較大,因此耐疲勞的時間 也進而增長。以下是為了將添加微量元素所照成之影響加以明示,將試驗結果分析, 另附圖表為參考資料


  在焊接強度上,關於零件焊接上剪斷強度,導孔等焊接,在過去的實驗上,被認為無太 大問題。問題在於剝離的作用上的承受之強度。這是有關剪斷和拉力強度的關係。另外 剝離的延展性也是一項大要因。若沒剝離與延展性之間的問題,依脆性的優劣順序,在 對應力之抵抗,顯示前,即可能損壞了。實際上延展性及剝離強度的結果,均傾向同一 方向,可從下表中被考證。在高溫放置(150℃以下)一星期( 168Hr )之條件下,對於強度 之影響均傾強度漸漸降低之方向。這是因銲材本身的物理特性,因溫度的變化所造成之 強度低下部分和界面化合物形成狀態及界面反應之焊材本身的變化要因。

 

  Sn-Ag系中Ag較少呈現結晶狀,這是與63Sn共晶相比時因溫度幅較大,在同樣的凝固條件 下,所形成的組織,在斷面下所呈現結晶較大。在其他合金系中也有相同樣的情形。 在2元系中Sn-Zn系的強度較佳,呈現出美麗的結晶狀。 在將Sn-Zn系中加Bi元素,所得結果不相同,加入2wt%左右,合金的形狀得出較佳結果。 在高溫中放置後63Sn合金及Sn-Ag合金,Sn-Zn合金,Sn-Ag-3Bi合金,Sn-Ag-7.5Bi合金使 用電子顯微鏡觀察斷面試驗。


 

  在無鉛焊材合金若要選擇其中最好之合金,從各種試驗DATH及分析結果,找出擁有最優秀特性之合金,馬上做選擇上的斷定,是非常困難的。但若一定要找出一個選擇Sn-Ag-Cu-Bi係在實用性上,比較能滿足各項條件。從現狀,使用量最多的Dip上,為最重要之項目之一。以金屬成分比率來做考察,我們推薦Ag1~3.5%-Cu0.3~15%-Sn-Bi3%以下,在PASTE用途及在特別用途上,可獲得滿意度,是較能保證實用性的組成之一。

   在特別的REFLOW用Sn-Zn共晶(或Bi2-3%)為最有利。若在更特別的目地,有第三類的Sn-Bi-(Ag)-(Cu)或Sn-Zn-Bi在組成數值範圍有較寬。 無鉛合金焊材的實用化是社會的責任,更是一項義務,減輕對環境之影響,更為了資源有效利用、在回收、再利用,加緊腳步之外,新焊材的實現也需特別研究開發,追求更優良之結果。

 

(譯自:千住金屬工業株式會社Technology Center 加藤力彌)
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