無鉛製程專區
無鉛合金開發

SMIC R&D Report<2>

表面實裝技術Reflow&無鉛(Pb Free)合金

1-1. 如何能實現實裝化的條件:

表-1  Sn系Pb  Free合金溶融最低溫
Reflow可能的最低溫度 無鉛合金主要成分組成
260℃ Sn  10Sb
250℃ Sn  5Sb
240℃ Sn  1Cu系         Sn0.5~1.5Ag系
230℃ Sn  2~4Ag   0~1Cu系
Sn Ag (Cu)  1~3Bi系
Sn Ag (Cu)  1~3In系
Sn Cu  4~8Bi系
Sn Cu  4~8In系
220℃ Sn Ag (Cu)  5~8Bi系
Sn Ag (Cu)  5~8In系
Sn Cu  10~20Bi系
Sn Cu  10~20In系
210℃以下 Bi、In等多量         Sn Zn系

為能使用現有技術設備,在現行的實裝作業中,焊錫的溶融溫度為183℃,最高的溫度為235℃以下。實際上,在實裝基板上要求210~230℃的範圍內進行Reflow。

右表為Sn系無鉛(Pb Free)的合金組成,Reflow可能的最低溫度表示。(表-1)

 

 

 

1-2. 檢討Reflow溫度區域:

如能實行嚴密的溫度管理,無鉛焊錫(Pb Free)的可能溶融最低溫度為液相線+10℃,最高溫度要視合金的成分而定。

 

 

1-3. 最適合Reflow溫度條件:

必須考慮部品、基板的熱容量、加熱方法、實裝密度、擴散、合金層的成長等。良好的焊接不只有要考慮最高溫度,液相線溫度也要列入考慮,通常是最高溫度+30℃才能得到良好焊接結果。平面單面基板焊接+20℃就可以達成良好焊接結果,而立體雙面基板及貫穿孔基板,因焊錫的爬升不足、貫穿孔焊錫凝結、焊錫表面凹陷或者是助焊劑(Flux)殘留等問題,主因是液相線、固相線、凝固收縮量、焊錫剛性、冷卻等,現階段還無法清楚的解讀說明。

 

 

 


條件

PH Pick UP 冷卻速度

條件1.

PH150℃ Pick UP250℃ 冷卻速度0.5℃/Sec
條件2. PH150℃ Pick UP250℃ 冷卻速度1℃/Sec
條件3. PH150℃ Pick UP250℃ 冷卻速度3℃/Sec
條件4. PH150℃ Pick UP250℃ 冷卻速度5℃/Sec
條件5. PH175℃ Pick UP250℃ 冷卻速度3℃/Sec
條件6. PH200℃ Pick UP250℃ 冷卻速度3℃/Sec
條件7. PH150℃ Pick UP245℃ 冷卻速度3℃/Sec
條件8. PH150℃ Pick UP240℃ 冷卻速度3℃/Sec
條件9. PH150℃ Pick UP235℃ 冷卻速度3℃/Sec
條件10. PH150℃ Pick UP230℃ 冷卻速度3℃/Sec
條件11. PH150℃ Pick UP225℃ 冷卻速度3℃/Sec

試驗條件:
在黃銅製鑄型中注入其合金溶點+100℃的液態焊材

機械加工:D=10mm、GL=50mm

試驗機:島津製AG2000B 輸送帶速度10mm/min

加熱條件:

 

 

Sn系無鉛(Pb Free)合金的溫度特性

2-1. 焊接點部分,通常因有電壓通過,使溫度上昇下降,在各部品間發生的熱差異及應力,合金本身會有吸熱及產生應力,一直無法抵抗時會產生龜裂。再加上,基板上部品零件大小差異,吸收熱能不同,所產生的應力也會產生不均的狀態。因為基板受溫度影響而變形產生應力,銲錫的強度如無法抵抗,會產生塑形變化,這時所有銲錫強度將低下。如變形較大物體會發生斷裂龜裂。

基本上,銲錫的彈性區域是無法相等,也只有數10&micro。使用具有良好強度合金,變形量較大時就須使用,能抵抗變形之合金。(圖-3、4、5、6是各合金比,在各溫度區域中的特性試驗)

 

 

 

2-2. Sn-Pb共晶銲錫比較,Pb Free合金並無特別優良突出,SnZn、SnCu、SnAgCu系中添加Bi、In,可得較佳強度及延展性。從圖表各數值來看,Sn-Pb系是有比Sn系Pb Free合金弱的感覺,在常溫時的強度比較,溫度上昇各數值往平行移動,延展性較大的則表示,銲錫合金持有較優良的特性。

無鉛合金的界面反應及結晶組織

3-1. 在焊接工程中合金組成對其成品的特性、信賴性還無法測出。

在實裝工程上,精密焊接是必須靠嚴密的溫度管理及控制界面反應,與含鉛不含鉛不無關係。從前Sn-Pb系到Pb-Free系列對應的相關元素確實增加了。例如部品的表面處理、合金組成元素等條件,在表面處理時用Ni、Pb、Au或者是溶融溫度及機械特性較佳Zn等,在表面處理時方法、厚度、溫度等條件都需十分注意,特別是擴散反應,須留意金屬間化合物的移動。較厚Ni層在長時間的熱處理中,因界面破壞素材與焊材的擴散,其中又以Zn的焊材在短期中會有顯著的發生。Cu素材與其界面,因擴散快速帶來Kirkendall Void使強度劣化,這些組合需加以注意。(kirkendall Void:接合時因擴散引起溫度上升,焊材合金與金屬界面間的金屬化合物,向合金側移動,所引起的空洞現象)

3-1. 關於接合,需注意的是焊材與焊接界面組織,先前所述介面擴散及「Kirkendall Void其它合金焊材成分中的元素與被焊接素材的反應。

Ni、Cu、Pb、Au各元素的特別作用,對於Ni、Cu、Zn、Au的容易匯集,Cu與Zn不只是界面,其擴散量也影響焊接性能。Zn與Pb在表面處理的Cu層,在焊接時易形成層狀反應物,放置高溫下這層反應物不會消失。

 

 

3-2. 現階段而言是從Sn-Pb轉變為Pb Free的導入期,間接的鉛混入也是可以預期的。

焊材的自体變化與界面形成化合物的變化,影響接合強度。包括潛在性的相互作用,需要有十分的解析與評價。焊材的成分與基板的PAD的金屬的反應性,或金屬間化合物的等特性、信賴性技術的安定性都有直接影響實裝部品、基板材料、焊材成分、共同材料的相容性與製造製程,使用環境等都必須囊括調查(圖-7、8.)。無鉛系列中已商品化,,ECO SOLDER M31(Sn-Ag-Cu)因溫度與機械強度、延展性關係圖,,是無鉛焊材中具有十分實用、強度的一例。例中是使用M31 ECO SOLDER 錫膏、錫絲等......。

被接合物的表面處理及焊材的信賴性賦予的影響

4-1. 從前基板及部品導體、導腳等的表面處理與定量的焊材合金作用,在Sn系中無鉛界面特性有一定影響。現在表面處理除了使用Au及Pb外,尚有Sn、Ag、Cu、Bi、Pb等,另一方面在Sn系無鉛合金成分:Sn、Ag、Cu、Bi、In等......。問題是,,含有Bi或In是為與Sn有較低的共晶溫度,通常含量很少,如在Bi、In合金中易混入Pb,根據混合比例不同,而界面引起匯集、剝離等現象。再加上這些低溫系金屬,在熱處理時界面反應快速,,金屬間化合物成長加速。


4-2. 從表面處理混入之元素取出解析,,焊接點的影響度Ni-Au、Pb-Au、Sn100、Sn-Ag、Sn-Cu及表面處理等,無不良影響,但如無適合的表面熱處理、機械性疲勞、劣質化、壽命減少、接合不良......等原因形成,得出對焊材不良信賴的結果。(表-2. 是陳述表面處理與焊材合金組成的界面反應)

(表-2. 表面處理素材與主焊材合金的反應)

表面處理素材 焊材合金 反  應  現  象
Cu Sn系
Bi系
Zn系
CuSn
因熱而反應快速
因熱而發生焊材中的Zn、Cu反應
Ni Sn系
Zn系
Sn-NiCu在焊材界面析出
因熱Ni膜破壞
Pb Zn系 PdZn
Au Zn系 Au的厚度過厚AuZn防害焊接

大型基板迴焊對策

5-1. 與Sn-Pb共晶焊材(183℃)比較時的問題要點是,基本上根據溶融溫度與作業溫度的溫度差異,主要以迴焊作業而言。(迴焊時間短,加熱至高溫後焊接面觀察)

為了下降溶融溫度,,必須在主成分上添加溫度低下元素。Bi的多量添加,可使溫度下降,但焊材的脆性會出現,,In添加的多寡與延展性、機械強度都有關係。

Bi與In共存時,無鉛合金的溶融溫度因比例而下降,機械強度與延展性又因Bi的添加所變化。

大型實裝基板,,須下降其作業溫度,須添加大量Bi,但又須保持其信賴性時需要使用添加適量Bi、In的焊材合金。

結論---為了為無鉛合金實用化與技術對策

6-1. 無鉛合金從研究開發到實用階段,多重的製造技術各式各樣的試驗。技術上研究分析,又需與現有的裝置與技術有效配合等......。但是不明確因素尚有很多,以下整理為現階段研究報告。

為了下降溶融溫度,必須在主成分上添加溫度低下元素。Bi的多量添加,可使溫度下降,但焊材的脆性會出現,,In添加的多寡與延展性、機械強度都有關係。

Bi與In共存時,無鉛合金的溶融溫度因比例而下降,機械強度與延展性又因Bi的添加所變化。

大型實裝基板,,須下降其作業溫度,須添加大量Bi,但又須保持其信賴性時需要使用添加適量Bi、In的焊材合金。

6-2. 表-3.為Reflow及DIP用無鉛合金的溫度別,從前的Sn-Pb系的作業溫度區中,選擇可對應的合金組成。

(表-3.   無鉛合金的溶融溫度對應)

 

Pb  Free合金種類

溶融溫度(℃)

Reflow用 DIP用
400
380
350
  Sb-2Ag-6Cu
Sn-2Ag-4Cu
Sn-2Ag-2Cu
280
270
260
250
Sn-3Ag-3Cu
Sn-3Cu
Sn-5Sb-3Cu
Sn-5SB


Sn-0.75Cu
Sn-3.5Ag-0.75系
240
230
Sn-1Cu、Sn-1Ag系
Sn-3.5Ag-0.75系、1~3Bi、In
Sn-2Ag-3Bi-0.5Cu
220
210

200
SnAgCu系5~8BiIn
SnAgSnCu系8~15BiIn
SnZnSnZnBi系

Sn-2Ag-15Bi系
 
190
180
170
160

SnBi共晶系
 
Sn-Bi共晶系

 

6-3. 以上的技術性對策,是依現行技術設備為基礎。本搞所記載的合金組成系統,相信有助於無鉛合金(Pb Free)系統整合。電子部品的實裝技術,,在快速更新急遽發展的過程中,其基本架構的演進比開發更高技術來得更為重要。

6-4. 實行高密度精密焊接技術的實用化,同時不斷提昇信賴性與品質,加上開發更高相關技術,孕育下一世代更有效率、先進的Know-how。

6-5. 這次的R&D報告書,對於性能提昇的更新補足,,希望能對於環境問題及相關連業界有正面幫助,,更能提高技術性的完成度。

(譯自:千住金屬工業株式會社Technology Center 加藤力彌)
巨剛實業有限公司 譯