目前SMT表面贴装技术中最全的锡膏印刷步骤及工艺指引

所谓的Reflow,在表面贴装工艺(SMT)中,是指锭形或棒形的焊锡合金,经过熔融并再制造成形为锡粉(即圆球形的微小锡球),然后搭配有机辅料(助焊剂)调配成为锡膏;又经印刷、踩脚、贴片、与再次回熔并固化成为金属焊点之过程,谓之Reflow Soldering(回流焊接)。此词之中文译名颇多,如再流焊、回流焊、回焊(日文译名)熔焊、回焊等;笔者感觉这只是将松散的锡膏再次回熔,并凝聚愈合而成为焊点,故早先笔者曾意译而称之为“熔焊”。但为了与已流行的术语不至相差太远,及考虑字面并无迂回或巡回之含意,但却有再次回到熔融状态而完成焊接的内涵,故应称之为回流焊或回焊。

图1左图SMT现场安装之锡膏印刷机,为了避免钢板表面之锡膏吸水与风干的烦恼起见,全机台均保持盖牢密封的状态。右为开盖后所见钢板、刮刀及无铅锡膏刮印等外貌。

SMT无铅回流焊的整体工程与有铅回流焊差异不大,仍然是:钢板印刷锡膏、器件安置(含片状被动组件之高速贴片,与异形零件大形组件之自动安放)、热风回焊、清洁与品检测试等。不同者是无铅锡膏熔点上升、焊性变差、空洞立碑增多、容易爆板、湿敏封件更易受害等烦恼,必须改变观念重新面对。事实上根据多年量产经验可知,影响回焊质量最大的原因只有:锡膏本身、印刷参数以及回焊炉质量与回焊曲线选定等四大关键。掌握良好者八成问题应可消弭之于无形。

2.1锡膏组成与空洞锡膏是由重量比88-90%的焊料合金所做成的微小圆球(称为锡粉Powder),与10-12%有机辅料

图2锡稿回焊影响其锡性与焊点强度方面的因素很多,此处归纳为五大方向,根据多年现场经验可知,以锡膏与印刷及回焊曲线(Profile)等三项占焊接品质之比重高达七八成以上,以下本文将专注于此三大内容之介绍,至于机器操作部分将不再著墨。

(即通称之Flux助焊剂)所组成;由于前者比重很大(7.4-8.4)而后者的比重很轻(约在1-1.5),故其体积比约为1:1。SAC无铅焊料之比重较低(约7.4),且因沾锡 较差而需较多的助焊剂,因而体积比更接近1:1。故知锡粉完成愈合形成焊点之回焊后,其浓缩后的体积将不足印膏的一半。一旦外表先行冷却固化,深藏在内的有机物势必无法逃出,只好被裂解吹胀成为气体。此即锡膏回焊之各种焊点中,气洞或空洞(Voiding)无所不在的主要成因,其数量与大小均远超过波焊。

图3无铅锡膏中之锡粉(Powder指微小球体)约占重量比88-90%,必须正圆正球形才能方便印刷中的滑动。由于硬度较软容易被压伤,故搅拌时要小心。左二图即为无铅锡粉之放大图。右图为锡膏中大小锡粉搭配成型的印著画面。

现行无铅锡膏以日系SAC305为主(欧系SAC3807,或美系SAC405等次之),日系尚另有SZB83,及SCN等。至于AIM公司的著名锡膏CASTIN(Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb)之四元合金在亚太地区则很少见到。

2.2锡粉制造与质量将原始焊锡合金在氮气环境中先行熔成液态,继以离心力容器将之甩出来成为小球状的锡粉;或采氮气强力喷雾法,在氮气高塔中冷却及下降而成为另一种锡粉。—待续

图4锡粉是从熔融液锡所成形而调制,左图为氮气塔中利用强力氮气喷成粉体之情形,右为液锡在离心力设备上甩出成粉的另一种制程。之后分别用筛子筛选出各种直径的小球,然后再按尺寸大小采重量比例去与助焊剂调配与混合,即成为回焊用的锡膏。对于锡粉的基本要求比起助焊剂来较为简单,其质量重点只要求外形一定要正圆球形,以符合印刷作业中向前滚动的条件。其次是直径尺寸应大小匹配互补,以减少印刷后贴件或踩脚时的坍塌(Slump)。第三项质量是外表所生成的氧化物不可太厚,否则

在助焊剂未能彻底清除下,熔融愈合中将会被主体排挤出去而成为不良的锡球。不过一旦外表完全无氧化物时,也较有机会发生“冷熔”(Cold Welding)现象进而容易堵死钢板开口。通常要求开口之宽度以并迭5-7颗主要锡球为原则。

2.3助焊剂之成份及品质助焊剂(Flux)之成份非常复杂,已成为影响锡膏乃至于回焊质量之最关键部份,且更成为品牌好坏的主要区别所在。其主要成份有树脂(Resin)、活化剂(Activator)、溶剂(Solvent)、增黏剂(Tackifier即摇变剂)、流变添加剂(Rheological Additives)亦称抗垂流剂(Thixotropic Agent,或称摇变剂或触变剂或流变剂等)、表面润湿剂(Surfactant)、腐蚀抑制剂等,现简要说明于后:

树脂——也就是整体助焊剂的基质,一向以水白式松香(Rosin或称松脂)为主,常温中80-90%为固体形式的松脂酸(Abietic Acid),高温中将熔融成为液体并展现活性 (常温中不具活性),可用以去除焊料或待焊底材等某些表面轻微的氧化物。活化剂——以二元式固体有机酸为主(指含两个羧酸根COOH者),例如草酸、己二酸;其次是固态的卤化盐类〔例如二甲胺盐酸(CH3)2NHHCL〕等,在高温中亦可熔化成液态而得与各类氧化物进行反应,可将之去除并得以改善沾锡性。各种活化剂去锈(去除氧化物)的原理,其一可说明为有机酸或卤酸与各种金属氧化物在热能的协助下,进行多次化学反应,使之转变为可溶性金属卤化盐类而得以移除:

图7此图说明印妥之锡膏在预热中,会引发锡粉表面甚至铜垫的氧化,但到达峰温时,在助焊剂迅速发挥威力下可对各种氧化物进行化学反应并使之溶解,进而出现锡粉的熔融愈合。在此等反应进行的同时也将出现金属盐类与多量的气体,以致冷却后的焊点中免不了会出现空洞

其二为氧化还原反应,以甲酸(蚁酸)将金属氧化物予以还原,并再经后续之热裂解反应,最具代表性:MO+2HCOOH→M(COOH)2+H2OM(COOH)2→M+COn+H2

溶剂——以分子量较大的某些高级醇类,或醚类酮类等较常被采用,可用以溶解某些固态的有机物;例如M-Pyrols即为著名的溶剂化学品。抗垂流剂——此剂可在锡膏运动或摇动(触动)中,出现较易流 动现象;但在静置时却又会坚持抗剪力,而具有不轻易移动 特性的化学品。如此将可使锡膏在刮刀推行印刷时容易滚动,一旦印着定位后的锡膏,则又可强力协助其保持固定不动的状态。此类添加剂以篦麻油衍生物为主,可增加锡膏的黏度及黏着力(Tack Force)。

按照J-STD-005锡膏规范(表2A与2B,见次页),依比例选出表列各种直径的锡粉,然后搭配助焊剂,于特殊“双行星轨道”之混搅机中进行轻柔搅拌(Double Planetary Mixing)中,在不伤及锡粉下可使均匀混合成为锡膏。此种“双行星”搅拌方式,是利用两具双拌桨,从同一轴心对容器内的膏体进行慢速旋转搅拌。该四桨叶是以其厚度方向从膏体的外缘连续划过,逐渐逼使内外膏料产生高效率的混合,只要划过3圈后,大部膏料均已完成彼此混合;旋转36圈后,任何一桨均已与全部成员完成接。

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