锡膏成份与分析【实用解决】

锡膏成份与特性1各行借鉴一般锡膏锡粉成份：63Sn/37Pb（SE48-M954-2 成分是含Sn、Pb、Ag、Sb）熔点：183锡粉直径：2045um粉末形状：球形粘性：2300 10%Ps 2各行借鉴Flux(助焊剂)成份Solvent（4050%）醇类（醇类（Alcohols）乙二醇（）乙二醇（Glycols）乙二醇醚类乙二醇醚类 Terpineols（C10H18O）rosin松香（4550%）松香酸（松香酸（Abietic Acid）34%脱氢松香酸（脱氢松香酸（Dehydroabietic Acid）24%Palusic Acid 9%Activators（310%）Amine Hydrochloride氢卤化氨活性剂氢卤化氨活性剂 Rheological Additives（13%）Ricinoleic Acid 蓖麻油酸3各行借鉴Solder PasteFluxn质量百分比9.5%n体积百分比50%Metaln质量百分比90.5%n体积百分比50%4各行借鉴锡膏特性n粘度：锡膏经由外来应力，就是刮刀的卷动而流动所产生的抵抗值之称nCXO性：继续搅拌后的锡膏会软化，静置一定时间后黏度会有回复的现象，其软化到回复的的时间，在各种锡膏中会有些差异，这个特性又和其它要素交互作用，选用不当锡膏会产生崩溃等不良现象。

n粘着性：可以说是锡膏的向内凝集力（Tack），在印刷时，虽然受黏性力和接着力的抵抗，但因其力量通常比其它的大，又受强力的剪断力（卷动）才不会黏在后面，而锡膏会形成滚筒浸透版目n接着性：会依接着对象而变化，但在印刷的锡膏通版目过程中，需要比黏着力还大，才能把锡膏转移到基版上面，后工程的零件搭载时会脱落，是接着力不足的关系5各行借鉴圖(1)攪拌時間對溫度之影響0510152025303505101520Time(min)Temp6各行借鉴回温8小时未搅拌和搅拌之锡膏未搅拌X50X25搅拌5分钟X50X257各行借鉴Microscope X50 放置10天后之锡膏 8各行借鉴锡膏反应行为na.粘度变化热扰动效应（thermal agitation effect）-在较高的温度下黏度的下降将产生较大的热融落（hot slumping）溶剂减少效应（solvent loss effect）-温度的上升常常使助焊剂脱出较多的溶剂并导致固态含量的增加而使黏度上升 9各行借鉴锡膏反应行为nb、氧化防止作用 水、氧和温度是金属氧化作用的必备条件，因此在IR reflow，必需减少水和氧之存在，所以在此条件下有3项重点必须特别注意，第一个是松香的氧化反应(ps1)，其二是氮气的使用，第三是预热使水份蒸发减少金属和锡膏之氧化机会，由于松香中具有不饱和的双键，所以将有利于本身氧化反应的发生，在温度150或更高的时候，需用氮气(ps2)等惰性气体对其氧化加以控制。

10各行借鉴Ps1：松香之氧化反应松香酸 Abietic acid（mp 173-175）temp 150 双氢松香酸Dihydroabietic（过氧化物）Abietic acidMp 173-175Dihydroabietic（过氧化物）CH3 CH3COOHCHCH3CH3Temp 150 CH3 CH3COOHCHCH3CH311各行借鉴ps2：当N2在加热区取代氧气，则锡膏和金属曝露在氧气之环境也随之减少，则氧化之可能性也随之降低评估Reflow Oven之需要（使用氮气时），通常以下列三种基本性能标准能够维持平衡，为最有效之标的n气体纯度（PPM O2 n大零件及小零见间温度之均匀性（T）n效率（电力及流量）12各行借鉴锡膏反应行为nc、金属表面清净化作用氢卤化氨活化剂 Amine Hydrohalides 有机酸活化剂 Organic Acid13各行借鉴锡膏反应行为nd、回焊区之solder（183230）在reflow的状态中，当松香和焊锡皆为液态时，焊锡性最佳，去氧化的效果最好，并产生接口合金层接合零件及焊点Reflow的峰值温度通常是由焊锡熔点温度，组装基板和组件的耐温度决定。

基于异质特性，锡膏的聚合时间比润湿天平测试求得时间来的长一般最小峰值温度大约在焊锡熔点以上30左右，若回焊温度低于上述时，将产生冷接点和润湿不够而可望的最大峰值温度大约235，超过此温度，环氧树脂基板和塑料部份的胶化和脱层就成为一个顾虑再者，超额的共界金属化合物将形成，并导致较脆的焊接点14各行借鉴活化剂之反应机构n氢卤化氨活化剂，在前述之预热区中，产生卤化铜类（CuX2）以及铜之错合物，再于回焊区和熔融的铅锡发生反应，进而形成金属铜和锡以及卤化铅等生成物且所形成的金属铜又很快地再熔入熔融焊锡液体中，于其表面上形成一种多铜式的表层，此表层可增进沾锡能力n CuCl2 +Sn SnCl2 +Cun 2CuCl2 +Sn SnCl4 +2Cun CuCl2 +Pb PbCl2 +Cu15各行借鉴沾锡、焊接及沾锡平衡n沾锡之原理n所谓Wetting Balance“沾锡平衡”，是指举起的锡池与样品相遇的剎那间，所产生的两个不同的动作，每个动作都有力量表现出来，最后当作用力达到平衡而停止，即完成全部过程，称沾锡平衡（wetting balance）当清洁的固体进入液面的剎那，在其接触面处，假想其截面上有壹接触角Q，于是在该处有两股力量汇集。

其一是液体本身的内聚力（cohesive force）所形成的浮力；其二是液体为固体表面所产生的附着力（adhesive force）再由如下图所示：16各行借鉴沾锡曲线图 17各行借鉴锡膏反应行为ne、界面合金共化物（IMC）能够被锡铅合金（solder），其焊锡与被焊底金属之间，在高温下快速形成一薄层类似锡合金的化合物此物起源于锡金属原子及底金属原子之相互渗入、迁移、扩散，而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的共化物，且会逐渐增厚这种由焊锡与其底金属接口之间所形成的各种共合物，统称Intermetallic Compound 简称 IMC18各行借鉴焊锡性与表面能n新鲜的铜面在真空中其表面能可达1265达因/公分，63/37的焊锡加热到共融点（eutectic point 183）并在助焊剂的协助下，其表面能可至380达因/公分，若将二者焊在一起，沾锡性将非常良好然而若将新鲜铜面放在空气中2小时后，其表面能会遽降到25达因/公分因此必须要靠强力的助焊剂除去铜面的氧化物，使之再活性及提高表面能，并提高焊锡的表面能时，才会有良好的沾锡表现19各行借鉴锡铜合金共化物的生成n当熔融态焊锡落在清洁的铜面时，将会立即发生沾锡（wetting）的焊接动作。

此时也立即会有锡原子扩散（diffuse）到铜层中去，而铜原子也在瞬间同时扩散进入焊锡中，二者在交界面处形成Cu6Sn5 的IMC，称为-phase（Eta 相），此种新生化合物中含锡之重量比约占60%之后经长时间的老化过程中，在-phase IMC与铜底材间，又会因铜量的不断渗入Cu6Sn5中，而渐使其局部组成改变为Cu3Sn的-phase（Epsilon相）其中铜量将由早先的-phase的40%增加到-phase的66%此种老化劣化之现象，随着时间和温度而加剧，而温度的影响尤其更烈20各行借鉴理想温度曲线特性n见word档文件21各行借鉴最佳温度曲线的设计22各行借鉴n此图表示以慢的上升率（0.51/sec）加热直到大约175（助焊剂内的溶剂在50125之受热区内需有足够的时间蒸发）然后在2030秒内梯度上生到180（在175后的升温速率尽量放慢，以延长松香、活化剂的有效作用时间，使金属表面的氧化物或污垢得以清除完全），再以2.53.0/sec快速上生到220（适合锡熔的条件和环境为22010，1020sec，稳定及分布均匀的温控及隔绝氧气，如此方可避免加热温度过高或时间过长而造成零件、松香及基板的伤害或加热时间不足或太低，造成冷焊的现象。

最后以不超过4/sec快速冷却下降最佳温度曲线的设计23各行借鉴n以上二图为模拟预热区solder 之变化（烘箱 150 90 seconds）理论上此区将发生氧化防止作用和金属表面清净化作用，清除氧化物并使得金属和焊锡之表面能逐渐提升X25X5024各行借鉴n以上二图为模拟solder过回焊区后之变化 n在PCB板上涂抹锡膏，过IR炉之情形，由图（3）可知当solder和flux于熔点（mp）以上时，强大的表面能，使得chip上的焊锡重融并移位，产生新的焊点图（4）白色部份为松香残渣，当温度到达200以上时，松香在酸性或高温的情况下，由于共轭双键（conjugated double bond）的移动，呈现不稳定的状态，会形成左旋性的海松酸（levopimaric）和新松香酸（neoabietic acid）两者的混合平衡物X25X5025各行借鉴松香在焊锡熔融温度以上时，也会和铅锡反应形成铅锡的松香酸盐类混合物CH3 CH3COOHCHCH3CH3 200 CH3 CH3COOHCHCH3CH326各行借鉴以下二图为模拟锡未熔之情形n利用IR Reflow 之回焊温度不超过焊锡熔融温度（183）所造成之效应。

n锡未熔之原因：1、输送带速度过快2、reflow温度太低3、温度不均27各行借鉴以下二图为模拟冷焊之情形n利用不纯物（胶水）所造成之冷焊效应，Solder paste含不纯物造成焊接点断裂n冷焊之原因：1、Solder paste 氧化2、Solder paste含不纯物3、零件脚或pad，吃锡性不佳4、输送带速度过快5、reflow温度太低28各行借鉴以下二图为模拟锡球之情形n利用涂抹大量flux，使flux比例大增，从而使得Solder paste流动性过大，所造成之锡球效应 29各行借鉴以下二图为良好之焊锡点 n若其焊锡性良好时，则锡面会向上攀升，在交界处形成形成凹月形接触（meniscograph solderability），并成带状吃锡30各行借鉴锡膏反应行为ng、冷却区之solder（22070）nIMC高过焊锡熔点温度以上的慢冷却速率将导致过量的IMC形成，快速的冷却可使IMC的产生减到最少n晶粒结构起因于回火效应，较慢的冷却常常导致在焊接点处有大的晶粒结构使用快速冷却方可得到较好的晶粒结构50的温度差已足够忽略回火效应31各行借鉴锡膏反应行为nh、回焊过后之松香残渣（residue）此类残渣可能为为其乙醇部份中含有松香之异构物，而另外的部份可能为松香酸的铅和锡之盐类混合物，这些残渣都可能造成日后之电子迁移。

电子迁移（electromigration or dendritic growth）：指在小间隙的导体间（如相邻甚近的导线或导通孔之间），若存在离子性残余物则在较高之相对湿度、温度下工作，其绝缘性会降低，甚至有离子被游离出来32各行借鉴。