無鉛製程專區
製程應用

1. 前言

近年來從保護環境的角度呼籲各方削減各種環境污染物質的使用,替代材料的轉換。記憶猶新的氟化物使用限制,加上免洗淨化製程的推動,接著最近廣泛在電子工業界使用的焊材,其中鉛含有毒性的禁止使用。本稿收集最新資訊,及本公司所提之無鉛系列作一整理報告。


2. 無鉛焊材的必要性與社會背景

在美國約有50%人口,飲用地下水,在EPA(美國環境保護署)的調查結果,超過容許值15PPB地區有189個,這樣原因是廢家電等......其中電子基板因酸性雨所溶解出物質所造成,因此鉛使用規制的立法化就變的急需迫切。在日本近年來,根據這樣情報判斷出含鉛製品輸入限制的聯動性,也開始檢討無鉛焊材。
又因近來環保團體的高聲呼籲及環境保護運動的高漲所帶來的影響,在日本國內2001年家電回收法施行,各企業提倡對推動綠色化運動,削減對環境有負面影響材料使用,各方均有熱烈回應。接著調查鉛實際的使用情況,汽車電池約有70%,其他含鉛合金約3%前後,電池的回收較容易,電機製品與前述之廢棄家電製品累積的問題相似,對於環境的影響度也較高。 


3.無鉛焊材的開發概念

現在電子機器中使用最多的是Sn-Pb(錫 - 鉛)供晶焊材,是眾所皆知的事實,無鉛焊材實用化的基本開發概念必須列入考慮因素,以下整理為下表(1):

表(1).無鉛焊材開發基本概表:

基本概表:
替代Sn-Pb共晶焊材,檢討各種特性與母材及助焊劑的組合,需具有同等級以上的能力。
能使用現行的實裝設備、部品及基板材料 基本要求特性 不含環境污染物質
生產作業可能溫度
Reflow/200~230℃、Flow/250℃
銲錫性能(Cu、Ni、Ag)
次要要求特性 鍚膏特性(保存性,作業,其它)無洗淨為前題
迴焊作業性(短路、空焊等)無洗淨為前題
下塌的發生及融入母材的影響
機械性能、電氣化學的信賴性(耐熱疲勞性、Creep、電氣測試)
供給的安定性、成本
機械特性(強度、龜裂率)
加工性(附加價值)

 

a.根據部品電鍍的種類、接合信賴性的影響有那些?
b.長期性的供給是否安定?
c.是否可對應全部的製程(Flow、Reflow、焊鎗焊接)?
經以上3點的考量,後補合金系列於表(2),各式無鉛合金均有長短之處,如Sn-Pb共晶焊材所持有特性,能全部滿足全製程,在無鉛焊材的開發是很困難的,但是在朝採用的方向,須各方確實檢討,從各種製品符合所要求的特性過濾其後補合金系是非常重要的課題。

表(2).無鉛焊材候合金系與特徵

基 本
元 素
第 二
元 素
添 加
元 素
特               徵 問   題   點
Sn Bi Ag
Cu
融點較低
強度較強
融溶溫度較低
合金硬、脆、加工性差(錫絲製造困難)
接合強度、耐疲勞強度差
Ag
Cu
Bi
In
具有優良的耐疲勞性強度較強
融溶溫度區域狹窄
融點較高
Zn Bi
In
比較接近Sn-Pb共晶
焊材融點強度較強
融溶溫度區域狹窄
成本較低
迴焊性極端不良
經時變化激烈
資源回收困難
In Ag 融點較低 產量極少、成本極高
經時變化激烈
資源回收困難
群組特性不加
Sn系 無毒性的問題
充分的供給性
Ag、蝕銀機率增加
加工性差
(錫絲製造困難)

 


 

4. 本公司所推薦的無鉛焊材製品群與理由

a.過濾前述之開發概念表,本公司的無鉛焊材於予ECO SOLDER的商品命名。表(3)為本公司所推薦具代表性的ECO SOLDER系列與其基本物理特性,表(4)為代表性的用途及製品應用的對應性一覽表。
本公司以ECO SOLDER M31、M705為中心,並從接合信賴性、作業性、供給安定性、資源回收性的觀點加以介紹。根據多種多樣性的參考要求,在表記以外的組成也隨時檢討,如有疑問可與我們聯絡。

表(3).ECO SOLDER的物理特性

品名 合金組成 溶融溫度區域(℃)
固相~液相
拉力速度
(kbf/mm2)
伸展性(%) 龜裂率
(kbf/mm2)
比重
M20 Sn-0.75Cu 227 3.80 57.0 3,500 7.32
M30 Sn-3.5Ag 221 4.18 58.0 4,410 7.40
M31
M705
Sn-3.5Ag-0.75Cu 216~220 5.34 48.9 3,786 7.42
M34 Sn-1.0Ag-0.5Cu 216~225 4.61 46.0 3,700 7.34
M41 Sn-2Ag-0.5Cu-2Bi 210~215~222 8.20 27.0 4,500 7.40
M42 Sn-2Ag-0.75Cu-2Bi 205~216~218 8.60 25.5 4,514 7.45
M51 Sn-3Ag-0.7Cu-1In 212~215~218 5.26 47.8 4,194 7.39
L20 Sn-58.0Bi 139 7.80 27.0 3,298 8.72
L21 Sn-2Ag-0.5Cu-7.5Bi 190~207~214 5.71 19.7 4,239 7.52
Sn63 Sn-37Pb 183 5.71 56.4 2,636 8.42
 

 

表(4).ECO SOLDER代表性用途與製品應用

◎可以供給

品 名 作業溫度參考(℃) 用 途 代 表 特           徵 錫棒 錫絲 錫球 錫膏
M20 250/- DIP/單面基板 高溫焊材
M30 250/240 DIP/Reflow 高溫焊材  
M31
M705
250/230 DIP/Reflow
銲槍焊接
優良焊接高信賴性
千住金屬推薦品
M34 -/235 Reflow 部品站立對應
AT合金
 
M41 -/230 Reflow 低作業溫度
迴焊性佳
 
M42 250/230 DIP/Reflow
銲槍焊接
低作業溫度
迴焊性佳
M51 -/230 Reflow 延展性佳  
L20 170/160 DIP/Reflow 低作業溫度
低溫焊材
 
L21 -/225 Reflow 現作業溫度對應  

 

在參考資料資料中(圖一、二、三)為各種無鉛焊材的接合信賴性結果表示,ECO SOLDER L21在Reflow工法上強度較低,而BGA的推力強度較強,但小錫球散落較大,這是因Bi的含量較多(7.5wt%)其延展特性低下的影響,採用含Bi的無鉛焊材是希望能降低作業溫度,不過檢討Bi含有量與接合信賴性的比重是必須充分的考量。

 

 

b.最近不只錫膏,連部品關於耐熱溫度的規定,部份已檢討使用Sn-Zn系的可能性,本公司也研究其組合,需解決的問題點還很多。(圖片1.)是無鉛焊接的接合斷面組織表示,從照片上得知,Sn-Zn-Bi系在高溫放置後(150℃ 100h),Zn(黑色針狀結晶)的移動劇烈,推判合金較不安定,實際上存在多種多樣的部品表面處理合金組合,但無法確認Zn有什麼樣的變化,所以對製品的母材上必須充分確認表面處理與Zn的反應。接著不應忘了Zn是Sn-Pb系焊材中最不好的不純物,因為在迴焊槽中Zn的容許濃度為0.005wt%,在同一作業場所中Sn-Pb系焊材與Sn-Zn焊材同時使用時,需有嚴格管理。

 


 

5. 各製程的接合事例介紹

(圖片2.3.4)是在Reflow、Flow各工法的接合事例介紹,在Reflow中ECO SOLDER M31在焊接溫度230℃時,可充分確保焊接並不比共晶焊材遜色,但在225℃時會形成良好高度,(圖片5)為Reflow在最低溫度時迴焊結果。Flow現行是以250℃為上限溫度,在基板穿孔上方周圍沾錫及擴散性會不佳,較適用於穿孔內部可達到充分吃錫。

使用裝置:SCLC-3035H                               FIUY:SmicES-1020  
溫度:250℃                                                    基板:Au Pad

使用錫膏:M31-221CM5-42-9.5 Reflow:大氣中 
使用部品:965 Pitch QFP 90 Sn/Pb lead Test基板:Cu Pad


6.無鉛焊材的使用、問題點與對應方法

無鉛焊材與以前的Sn-Pb焊材比較,在特性上有很大不同,在量產導入時有什麼問題點出現是很難預測的,現在討論已確認事例與其對應方法。

a.根據Reflow工法上舉例,基板上的溫差(以下△t表示)問題,實裝基板上有多種多樣的部品構成,其熱容量有很大差異,△t差到20℃溫度差時也有。簡單的說明,先前焊接事例中ECO SOLDER M31使用時,最低的Reflow溫度為225℃,基板溫差大時最低溫度必須達到225℃,換言之△t5℃以內基板,Reflow的最高溫度設定為230℃時,225~230℃是可以焊接的,大部份零件部品的耐熱性均可承受。但是△t20℃以上的基板,Reflow的最高溫度設定為230℃時而實際上只到達210℃,會出現無法到達焊材最低融溶溫度。言而反之,將最高溫度昇高,可能出現超過部品的耐熱溫度,關於Reflow克服△t是關鍵問題,一般減少△t的方法是將預熱溫度昇高延長,其結果(圖片6)表示。在大氣Reflow中較高的溫度及較長的時間形成焊接時,易發生未融溶銲錫粉末所產生錫球較多。在N2 Reflow中200℃/ 180sec的預熱也可得到較佳銲錫性能,因在大氣Reflow的溫度圖的有效範圍非常狹窄,在N2環境中就有很大的空間。在無鉛錫膏導入時,將以上結果列入檢討,對製品的△t溫度圖的確實掌握是非常重要的。接著Reflow、Flow混合工法時,採用固相線較低無鉛焊材,Flow時可能會有剝落的可能性較高,須列入考量。

 

b.Flow工法:例如,凹陷問題都是從共晶組成到非共晶組成,錫尖是穿孔基板與添加Bi的無鉛焊材的組合,(圖片7)或從部品電鍍部份有鉛的混入,使得局部的固相溫度低下,所造成的(圖片8)凹陷問題,不論基板的種類,全體的無鉛焊材,均有熔點溫度範圍,對策是盡可能採用融溶溫度區域較狹小的無鉛焊材,重要的是部品完全的無鉛化,迴焊後加速冷卻速度可改善焊點形狀。(圖片9.10)為冷卻速度與表面狀態。

使用材料:焊料M31
Flow條件:250℃,N2中(O2 500ppm以下)
使用設備:N2-Dip- mk-Ⅲ
Test基板:Cu Pad+Cu Lead

 

c.經先前的說明無鉛焊材或部品等,混入鉛時固相線會急遽低下,物理特性也會有所變化,(圖四)混入鉛時融溶溫度的變化,(圖五)混入鉛時機械拉力強度與延展性的關係。從(圖四)而言因鉛混入,融溶溫度從固相線擴大,這樣錫尖的發生率增加,加上半融溶狀態時的震動,可預想伴隨著助焊劑或凹陷的危險性增加。(圖五)的機械拉力強度較強時延展性傾向低下,焊點硬度較硬時組織會變脆,可預想耐疲勞性較差。從以上而言,無鉛焊材須極力避免鉛的混入,Sn-Pb系、Sn-Ag-Cu系 的鉛混入容許範圍也只有1wt%左右。


7. 結論

A.現今無鉛焊材的開發並無法兼備現行的作業溫度及接合信賴性,當無鉛焊材的導入其接合信賴性或作業溫度須作為重點,選擇的系統變不同,無鉛焊材的檢討須面臨許多方面考量,往往對於無鉛焊材之選擇無法多方面兼顧,充分了解製品的要求特性,是在選擇無鉛焊材的重要課題。

以下為無鉛焊材採用方向及內容整理,共參考使用:

(1).當作業溫度上升時,確認部品耐熱性:
  a.有耐熱部品可替換嗎?
b.無耐熱性部品焊接後的檢討題。
(2).部品表面處理的確認:
  a.轉移的過度期中,應避免混入含鉛處理部品。
b.特別是在Bi系中,鉛的混入會導致三元素相低溶點(96℃ )。
(3).現有設備能力確認 :
  a.根據Reflow的△t是否會有未融溶發生。
b.迴焊槽在替換無鉛焊材時,鉛混入的影響。
(4).資源回收性及作業性:
  a.實裝基板雖已更換無鉛焊材,也不得任意丟棄。
b.須檢討無鉛焊材的回收使用性。

 

B.要對應現在多種多樣的實裝製程,在眾多的無鉛焊材候補合金中無法取得共識。本公司所推薦無鉛焊材系列,有經驗豐富陣容,可提出各種樣品(錫膏、錫絲、錫球、助焊劑等)也準備迴焊設備,並透過各式各樣的實驗,研究開發更上一層的無鉛焊材,希望能更進一步對環境保護貢獻心力。




參考文獻
1.淺野 省三:(無鉛焊材的開發動向)實裝技術雜誌。Vol.No9(1994)
2.奧野 哲也、宗形修:(無鉛焊材的開發現狀與應用動向),表面實裝技術。1996年2月號
3.千住金屬工業(株):(無鉛焊材的實用化與環境問題對應)
4.高浦 邦仁:(大氣中使用Sn-Zn系,生產線導入的問題)
5.千住金屬工業(株):(焊材技術手冊)SMIC Technical Bulletin A-01(1996年PP24)
6.巨剛實業有限公司 譯