焊接原理與焊錫性
1、Abietic Acid松脂酸
是天然松香(Rosin)的主要成份,占其重量比的34%。在焊接的高溫下,此酸能將銅面的輕微氧化物或鈍化物予以清除,使得清潔銅面可與熔錫產生"接口合金共化"(IMC)而完成焊接。此松脂酸在常溫中很安定,不會腐蝕金屬。
2、Angle of Contack 接觸角
廣義是指液體落在固體表面時,其邊緣與固體外表在截面上所形益的夾角。在PCB 的狹義上是指焊錫與銅面所形成的Θ角,又稱之為雙反斜角(Dihedrel Angle)或直接稱為 Contact Angle。
3、Blow Hole 吹孔
指完工的 PTH 銅壁上,可能有破洞(Void 俗稱窟窿)存在。當板子在下游進行焊錫時,可能會造成破洞中的殘液在高溫中迅速氣化而產生壓力,往外向孔中灌入的熔錫吹出。冷卻后孔中之錫柱會出現空洞。這種會吹氣的劣質 PTH,特稱為"吹孔"。吹孔為 PCB 制程不良的表征,必須徹底避免才能在業界立足。
4、Brazing 硬焊
是指采用含銀的銅鋅合金焊條,其焊溫在425~870℃ 下進行熔接(Welding)方式,比一般電子工業常見軟焊或焊(Soldering),在溫度及強度方面都比較高。
5、Cold Solder Joint 冷焊點
焊錫與銅面間在高溫焊接過程中,必須先出現 Cn Sn 的"接口合金共化物"(IMC)層,才會出現良好的沾錫或焊錫性(Solderability)。當銅面不潔、熱量不足,或焊錫中雜質太多時,都無法形成必須的 IMC(Eta Phase),將出現灰暗多凹坑不平。且結構強度也不足的焊點,系由焊錫冷凝而形成,但未真正焊牢的焊點,特稱為"冷焊點",或俗稱冷焊。
6、Contact Angle 接觸角
一般泛指液體與固接觸時,其交界邊緣,在液體與固體外表截面上,所呈現的交接角度,謂之 Contact Angle。
7、Dewetting 縮錫
指高溫熔融的焊錫與被焊物表面接觸及沾錫后,當其冷卻固化即完成焊接作用得到焊點(Solder Joint)。正常的焊點或焊面,其已固化的錫面都應呈現光澤平滑的外觀,是為焊錫性(Solderability)良好的表征。所謂 Dewetting 是指焊點或焊面呈高低不平、多處下陷,或焊錫面支離破碎甚至曝露底金屬,或焊點外緣無法順利延伸展開,截面之接觸角大于 90 度者,皆稱為"縮錫"。其基本原因是底金屬表面不潔(有氧化物或其它污染),造成與焊錫之間不易形成"接口合金共化物"(如Cu6Sn5 之 Eta phase IMC 即是),難以親錫,無法維持焊錫的均勻覆蓋所致。
8、Dihedral Angle 雙反斜角
是指焊點或焊面外緣在截面上左右兩側的接觸角,有如噴射機之雙反斜翅膀,稱為"雙反斜角"。此角度愈小時,表示其"沾錫性"愈好。
9、Eutetic Composition 共融組成
合金中的組成份在某一定比例時,其熔點(M.P.; Melting Point)低,稱之為"共融組成"。如錫鉛合金在63/37比例時,其熔點僅183℃,且直接由固態熔化成液態,中間并未出現漿態;反之亦然。故此63/37比例特稱之為"共融組成",而183℃即其共融點(Eutetic Point)。
10、Finite Element Method有限要素分析法
是一種對焊點(Joint)可靠度與故障的分析法,為利用計算機與數據模式的分析工具。可將焊件之結構以微分方式劃分成許多受力面與受力點,在計算機協助下逐一仔細找出故障的可能原因。下左圖即為一鷗翼腳焊點的FEM分析圖。左圖為一外圍有球腳的P-BGA,在板面上焊接后的FEM細分圖,此件共有2492個平面應變要素,與7978個節點應變要素 (Node Strain Element)。
11、Meniscograph Test 弧面狀沾錫試驗
是針對待焊物表面沾錫性好壞所做的一種試驗,如右圖所示;取一金屬線使其沉入表面清潔的熔錫池中。若金屬線的沾錫性不錯時,則會產生良好的沾錫力(Wetting Force),而在交界處會將錫拉起,呈現弧狀上升的"彎月形"(Meniscus),即表示其焊錫性良好。可再以"弧面沾錫儀"(Meniscometer)的激光束去觀察所帶起的彎弧的高度,再按已存在計算機中的記憶資料,求出接觸角(Contact Angle θ,或稱沾錫角Wetting Angle),即可判斷出零件腳沾錫品質的好壞。不過此法現已不如"沾錫天平"法(Wetting Balance)來的更精確。按荷蘭籍焊接專家 R.J.Klein Wassink(曾任職菲利浦公司 30 年以上,為全世界 SMT 的啟蒙者)之名著 Soldering In Electronics(2nd Ed.,1989)P.332所載,在沾錫動作接觸 3~4 秒后可測得 θ 角,其代表之意義如表內所示。
12、Meniscus 彎月面,上凹面
原指毛細管中之水面,從截面所觀察到的上凹情形。引伸到"焊錫性"的品質時,則是指焊錫與被焊物表面之接觸角。當其所呈現角度很小,使被焊物表面之焊錫前緣,具有擴張與前進的趨勢,則其"焊錫性"將會很好。利用此"彎月面"的原理,進一步地去測試被焊物在"焊錫性"品質上的好壞,其方法稱Meniscograph。
13、Non-Wetting 不沾錫
在高溫中以焊錫(Solder)進行焊接(Soldering)時,由于被焊之板子銅面或零件腳表面等之不潔,或存有氧化物、硫化物等雜質,使焊錫無法與底金屬銅之間形成必須的"接口合金化合物"(Intermatallic Compound,IMC,系指Cu6Sn5 ),此等不良外表在無法"親錫"下,致使熔錫本身的內聚力大于對"待焊面 "的附著力,形成熔錫聚成球狀無法擴散的情形。就整體外表而言,不但呈現各地局部聚集不散而高低不平的情形,甚至會曝露底銅,這比"Dewtting 縮錫" 更為嚴重,稱之為"不沾錫"。
14、Solder焊錫
是指各種比例的錫鉛合金,可當成電子零件焊接(Soldering)所用的焊料。其中以 63/37 錫鉛比的 Solder 為電路板焊接所常用。因為在此種比例時,其熔點低(183℃),且系由"固態"直接熔化成"液態",反之固化亦然,其間并未經過漿態,故對電子零件的連接有多的好處。除此之外尚有80/20、90/10等熔點較高的焊錫,以配合不同的用途。 注意當 "焊" 字從金旁時,專指焊錫合金之本體金屬而言,若從火部的 "焊"時,則系針對焊接的操作之謂,不宜混一談。
15、Solderability焊錫性,可焊性
各種零件引腳或電路板焊墊等金屬體,其等接受焊錫所發揮的焊接能力如何?謂之焊錫性。無論電路板或零件,其焊錫性的好壞都是組裝過程所須先面對的問題,焊錫性不良的PCB,其它一切的品質及特點都將付諸空談。
16、Surface Energy表面能
任何物質在進行化學反應前,其表面將應具有某種活性程度,或參與化學反應能力強弱的一種表示數值,謂之"表面能"。例如清潔新鮮的銅面,其在真空中的表面能可高達1265 dyne/cm,但若將該新鮮的銅放置在空氣中 2小時,因表面產生各種銅的污化物或鈍化物后,其"表面能"將下降至25 dyne/cm,必須仰賴助焊劑的清潔作用,才能完成焊接所需的良好沾錫 (Wetting)品質。
17、Vacuoles 焊洞
通孔中可插焊或直接涌錫填錫而成錫柱體,當焊板遠離錫波逐漸冷卻之際,其填錫體之冷卻固化是從頂部開始的。因板材是不良導熱體,故下板面擦過錫波時其溫度要高于離錫波稍遠的上板面。故孔內錫柱是先自頂部固化后,其次才輪到底部固化,錫柱中段后才會固化。因而在四周上下已經硬化,其中心繼續冷固收縮時,經常會出現真空式無害的空洞,稱為"Vacuoles"。
18、Wetting Balance沾錫天平
是一種測量零件腳或電路板"焊錫性"好壞的精密儀器。試驗中須將試樣夾在觸動敏感的夾具上,再舉起小錫池以迎合固定的測試點,并使測區得以沉沒于錫池中。在扣除浮力后即可測得試樣"沾錫力量"的大小,及"沾錫時間"的長短。即使少許"力量"的差異,亦可從此種儀器上忠實測出,故稱為"沾錫天平"。(詳見電路板信息雜志第二十六期之專文)
19、Wetting沾濕,沾錫
清潔的固體表面遇有水份沾到時,由于其間附著力較大故將向四面均勻擴散,稱為Wetting。但若表面不潔時,則附著力將變小且親和性不足,反使得水的內聚力大于附著力,致令水份聚集不散。凡在物體表面出現局部聚攏而不連續的水珠者,稱"不沾濕"Dewetting。此種對水份"沾濕"的表達,若引伸到電路板的焊錫性上,即成為"沾錫"與"沾錫不良"(或縮錫)之另一番意義。IMC Intermatallic Compound ; (金屬) 接口合金共化物如 Cu6Sn5 Cu3Sn即為銅錫之間的兩種合金共化物,此外尚有多種其它金屬間的IMC存在。
編號:臺錫錫業廠 TTIN20110622 (臺錫錫業專業生產:無鉛錫絲 環保錫絲)
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