epson无铅銲锡资料手册

1、.天马行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632Seiko Epson集團無鉛銲錫資料手冊印刷電路板裝配第一版2001年6月1日無鉛銲錫之路印刷電路板裝配使用Seiko Epson股份有限公司 為何需要無鉛銲錫？P.3 Seiko Epson之鉛含量消除政策P.4 鉛消除的方法P.5 於Seiko Epson取得無鉛化1. 迴焊製程(1) 錫-銀-銅銲錫之迴焊情形P.6(2) 錫-銀-銅銲錫之裝配特性P.7(3) 各種錫-銀-銅系合金組成之裝配特性P.11(4) 錫-銀-銅系銲錫於各種迴焊情形之裝配特性P.13(5) 生產線迴焊溫度設定之應用P.14(6) 迴焊/

2、波焊 製程之溫度控制P.15(7) 區域陣列型包裝元件之接合可靠性P.162. 波焊製程(1) 錫-銅銲錫之波焊情形P.18(2) 錫-銅銲錫之接合可靠性P.20(3) 燈蕊效應片狀隆起現象P.233. 人工焊接製程手焊作業製程(1) 當使用錫-銀-銅銲錫於人工焊接之情形P.27(2) 錫-銀-銅銲錫之人工焊接特徵P.28(3) 最佳化狀況下之人工焊接特徵P.30(4) 人工焊接修補/重工後之接合強度P.314.無鉛零件腳鍍層之裝配特性P.325.焊接後助焊劑殘餘之電氣化學可靠性P.356.品質工程認證田口工程法P.36附錄：評估之測試元件/狀態及量測設備之使用參考 為何需要無鉛銲錫？無鉛銲錫

3、發展背景資訊一般而言，在每一件電子產品中都有一個或多個電路板位於其心臟部位，而每一塊電路板亦均是由許多的電子零件所構成，利用一種將其牢繫於板面上的錫及鉛之化合物我們將其稱為”銲錫”。雖然其中某些部分的銲錫在其電子產品不再被使用時能被回收再利用，但通常大多數的命運都是被如同工業廢棄物材料般的被掩埋於垃圾掩埋場裡。地下水污染 酸雨 拋棄的電子組件 鉛成分的析出無 鉛 化 變 遷 背 景對人體之影響 對血液系統之傷害 對中樞神經系統之傷害全球環境保護意識之成長法令規範 歐盟RoHS指示提案於2008.1前 家用電器回收方法等需要無鉛銲錫根據一份美國的報告指出，由含有電子產品廢棄物之垃圾掩埋場所溢出的

4、物質已確認為造成地下水污染的原因之一，其可能為導致學齡兒童血液中之鉛濃度升高之主因(1)。然而在日本，鉛仍尚未被規範定義為非法物質；在歐洲一項歐盟命令已考慮將鉛列為自2008年起在歐洲禁止使用於電子產品中的六種物質之一RoHS:提案在歐洲各國國會及地方議會中限制使用某些危險物質於電氣電子產品內的一道命令中(2)。Seiko Epson之方針保持公司競爭力與環境協調一致一直是Seiko Epson的一項基本原則，自1992年起，Seiko Epson即以帶頭完成停止使用臭氧層破壞物質氟氯化物而領先全世界，且堅決而持續地為協助保護我們全球的環境而工作著。Seiko Epson也在1998年訂定為”

5、次環境保護基準年”期間開始施行了許多基於最新建立的”全面環境保護政策”之活動。例如鉛之使用以保護全球環境的觀點出發，Seiko Epson認為其為一重要的公司全面性之問題，於是於1999年6月成立了一個無鉛化推動委員會作為其第七個專門委員會，此一無鉛化推動委員將工作直到加速推進轉變為無鉛化之環境而止。Seiko Epson之鉛含量消除政策“逐步地減少電路板焊錫中鉛之使用以於2001會計年度結束前達到無鉛化的目標”基本步驟“銲錫鉛”比照於將含鉛銲錫使用於電路板上之零件裝配時，最好如同鉛使用於電子零件腳上之銲錫鍍層一般。註：此目標並不適用於當鉛之含量僅如同雜質般存在的狀況時如僅有極微量之鉛存在於錫

6、中，鉛含於陶質材料時如陶瓷電容器中，或鉛於其他材料中時如金屬或塑膠中。Seiko Epson有基於保護全球環境之承諾而確立如此之目標，而最佳的達成方法為將印刷電路板裝配的製程全面地無鉛化。基於這個結果，公司有研議出使用無鉛銲錫以達到甚至較傳統的63錫-37鉛銲錫所能達到的更高之可靠性的焊錫方法。鉛消除之方法為達成公司鉛消除之政策其研發需求必須依照下列的原則來進行(1) 必須有等於或更高於現在所使用的63錫-37鉛銲錫的接合強度。(2) 在現存的環境存量及技術上有最大可能使用者。(3) 須建立在可於室內大氣環境狀態下焊錫之技術。當要選擇一特定的合金組成時，必須注意應找一個其於產品週期間之機械性溫

7、度疲勞特性、操作性焊接表現、及目視檢驗性等特性至少均與現用的63錫-37鉛銲錫相當之組成才行。另外，其組成成分必須是兼具有無危險性及必須是立即可使用的。Seiko Epson的研究人員開始選擇了幾種的合金組成來作為實際應用的候選者閉關研究之： 錫-銀合金銲錫第一型：添加銅，無鉍成分；第二型：添加銅及少量的鉍；第三型：添加銅及較多量的鉍，錫-銅合金銲錫，錫-鋅合金銲錫以及錫-鉍合金銲錫。在對這些候選合金做了不同的實驗及仔細的觀察其每一銲錫合金所產生的變化結果後，Seiko Epson的研究人員最後列出了如下所列的銲錫合金作為最有希望的候選選擇，特別是在其產品週期內之接合可靠性方面之選擇。表1.

8、Seiko Epson之鉛消除方法製程圖示銲錫構型合金熔點設備迴焊錫膏錫-銀-銅合金Su-Ag-Cu(217220)設備波焊錫棒錫-銅合金Su-Cu(227)註：含微量之其他成分手工焊接製程錫絲錫-銀-銅合金Su-Ag-Cu(217220)在下一段標題為”於Seiko Epson取得無鉛化”中，將敘述無鉛銲錫在Seiko Epson使用上的各項特性，包括其焊接狀況、銲錫性、及與被焊元件上之接合強度等。於Seiko Epson取得無鉛化1. 迴焊製程(1) 錫-銀-銅銲錫之迴焊情形於Seiko Epson之迴焊製程為使用一錫-銀-銅系銲錫作為迴焊之銲錫使用。在考量錫-銀-銅銲錫其熔點為一溫度範圍

9、於217至220之間，且於PCB板上之均溫性所造成之溫度變化不同等之狀況下，其溫度做如下之設定220於錫-銀-銅銲錫以便使銲錫能保持其液態狀態至少30秒，且迴焊溫度設定曲線須以近似於如下圖1-1所示之圖形來作為使用上之基本設定。以下均採用如圖1-1使用之迴焊溫度設定生產以評估此錫-銀-銅合金銲錫於迴焊製程上之使用。焊接溫度峰值溫度：235高於220：34秒錫-銀-銅系銲錫經過時間秒圖1-1，評估無鉛 錫-銀-銅 銲錫於大氣迴焊時之溫度設定(2) 錫-銀-銅焊錫之裝配特性i) 於室內空氣狀況下之迴焊焊錫性在使用常見的焊錫腳鍍層90錫-10鉛及典型的無鉛鍍層98錫-2鉍來評估所選擇的錫-銀-銅焊錫

10、之焊錫性潤濕特性時。如下表1-1所示，其潤濕特性是具有足以勝任於焊接這些錫鉛腳鍍層形式的，並就檢驗性之觀點來說亦沒有具體之問題存在。表1-1.比較不同的零件腳鍍層形式之焊接情形錫-銀-銅焊錫：大氣迴焊90錫-10鉛鍍層42合金基材98錫-2鉍銅基材表1-2.評估樣本之生產狀況評估基板玻璃環氧基板FR4，厚度t=1.6mm裝配元件P0.5mm QFP208-pin, 90錫-10鉛鍍層42合金基材P0.5mm QFP208-pin, 98錫-2鉍鍍層銅基材QFP:Quad Flat Package裝配狀況大氣迴焊使用無鉛銲錫： 峰值溫度為235大氣迴焊使用63錫-37鉛銲錫： 峰值溫度為230i

11、i) 焊接區域之迴焊情形當使用錫-銀-銅焊錫於大氣迴焊後，其於表面介面上將形成一個如表1-3所顯示之介面共金層銅錫層，其狀況類似於使用63錫-37鉛銲錫時所形成之層一樣，因此可確認其為形成良性的焊接黏著面層。此外，另有觀察出一種微細構造的成分Ag3Sn普遍的散佈於錫-銀-銅焊錫之焊接區域上，此一微細構造的成分其在暴露在高溫下時並不會造成增加接合粗糙化之傾向且其構造上具有極佳的機械特性，故仍可判斷其為一有助於改善焊錫可靠性之合格物質。(3)表1-3.焊接區域之大氣迴焊情形錫-銀-銅焊錫： 98錫-2鉍鍍層零件腳背面區域剖面焊接區域表面iii) 接合強度評估焊接區域之溫度疲勞特性評估中是以三種焊錫

12、合金來進行： 錫-銀-銅焊錫，63錫-37鉛銲錫，及錫-銀-銅-鉍焊錫參考用。如圖1-2所示，在對焊接於一QFP零件腳焊接區做溫度疲勞循環測試其接點強度拉力強度後，錫-銀-銅焊錫合金在最初情形之結果即較63錫-37鉛銲錫或是錫-銀-銅-鉍焊錫之任一種的數值為高，故其可以肯定錫-銀-銅焊錫具有足以勝任之焊點接合可靠性。錫-銀-銅焊錫錫-銀-銅-鉍焊錫63錫-37鉛焊錫溫度循環次數90錫-10鉛鍍層溫度循環測試：-40至125拉力強度N基於這些結果，Seiko Epson認定使用錫-銀-銅焊錫於迴焊焊接中為其無鉛銲錫合金之選擇。圖1-2.焊接區域之疲勞特性iv) 在溫度循環測試後焊接區域之接合情形

13、在觀察迴焊焊接區域之斷面情形後，發現當錫-銀-銅焊錫在溫度循環測試中時，有相較於63錫-37鉛銲錫明顯較低的裂痕產生傾向。且於溫度循環測試後錫-銀-銅焊錫在於微細構造的觀察上亦無較大的改變。這些結果確認錫-銀-銅焊錫相較於63錫-37鉛銲錫而言具有較佳的疲勞強度，同時也足以勝任之可靠性。表1-4.接合可靠性測試後之焊接區域斷面QFP零件腳： 90錫-10鉛鍍層裝配焊錫初始狀況溫度循環測試後2000次63錫-37鉛銲錫錫-銀-銅焊錫(3) 各種錫-銀-銅系合金焊錫組成之裝配特性Seiko Epson選擇了數種添加不同含量的第三共熔合金成分之錫-銀-銅系焊錫來進行評估如表1-5。Seiko Eps

14、on的研究人員另針對錫-銀-銅焊錫中其銀及銅之不同含量狀況時分別評估其裝配特性之影響。表1-5.錫-銀-銅無鉛銲錫之合金成分評估合金成分錫銀銅鉛錫-銀-銅焊錫A型剩餘部分33.8%重量百分比0.51.2%重量百分比0.1%重量百分比或更低錫-銀-銅焊錫B型63錫-37鉛銲錫剩餘部分37%重量百分比i) 各種錫-銀-銅合金焊錫之迴焊焊錫性首先評估各種錫-銀-銅合金焊錫於零件腳上焊接之焊錫性潤濕性表現。評估中所有種類之錫-銀-銅焊錫對於零件腳之潤濕均有足夠的潤濕性表現，因此，證明在實際的應用方面上，所評估的錫-銀-銅焊錫組成並沒有任何一種會造成潤濕不足之現象，即任何形式之組成均是可以選擇使用的。表

15、1-6.使用錫-銀-銅焊錫於大氣迴焊下之焊接區域外觀初始狀況： 90錫-10鉛鍍層錫-銀-銅焊錫A型錫-銀-銅焊錫B型ii) 接合強度評估溫度循環次數63錫-37鉛銲錫錫-銀-銅銲錫(A型)錫-銀-銅銲錫(B型)溫度循環測試：-40至12598錫-2鉍鍍層拉力強度N在使用組成成分範圍如表1-5所示之錫-銀-銅焊錫時，研究人員於其迴焊焊接面上評估其接合之可靠性。在溫度循環測試後所有評估之錫-銀-銅焊錫均有接合強度等於或更高於63錫-37鉛銲錫之表現。因此可確認在使用這些型式之錫-銀-銅焊錫合金上並沒有實際的問題，甚至當不同型式銲錫其銀及銅之含量亦有微小的不同時亦然。圖1-3.於不同的錫-銀-銅焊

16、錫合金焊接區域之疲勞特性(4)錫-銀-銅銲錫於各種迴焊情形之裝配特性一般而言，錫-銀-銅銲錫於零件電極端上之潤濕性已知均較63錫-37鉛銲錫為差。故在Seiko Epson中，研究人員針對了各種不同的銲錫狀態下含預熱溫度及峰值溫度之焊錫區接合強度及可檢驗性潤濕性來進行評估。就可檢驗性方面來說，其標準為以不同迴焊情形下零件腳前端銲錫潤濕之高度來作為潤濕性之指標圖1-4顯示在不同迴焊狀態下零件腳前端銲錫潤濕之高度上的不同。然而若比較潤濕高度及其在各種迴焊狀態下接合強度之差異上即可發現其差異並不大，亦即表示其在對接合強度上僅有少許些微之影響。因此，Seiko Epson研究人員確認儘管在潤濕性上有些

17、微之不足，但是在使用錫-銀-銅銲錫上仍沒有可靠性上的顧慮存在。迴焊狀態98錫-2鉍 鍍層90錫-10鉛 鍍層潤濕高度拉力強度零件腳前端高度錫-銀-銅合金焊錫拉力強度N前斷面潤濕高度m峰值：230預熱：180峰值：241預熱：180峰值：242預熱：170峰值：237預熱：180峰值：230預熱：180峰值：241預熱：180峰值：242預熱：170峰值：237預熱：180圖1-4.不同迴焊狀態對潤濕高度及接合強度之影響(5)生產線迴焊溫度設定之應用利用Seiko Epson的產品，研究人員在於生產線上整批裝配之電路板8層板，雙面中量測迴焊溫度之設定曲線，以求近似於板溫T之實際變化程度。在使用支

18、援無鉛銲錫之迴焊爐，其板溫T可保持或低於15ºC以下。甚至迴焊情況亦可調整以便其他產品之電路板能有保持或低於10ºC以下之板溫差。圖1-5.使用於溫度量測之電路板8層電路板： LCD影像顯示卡經過時間8層電路板板厚1.6mm溫度圖1-6. 8層板迴焊溫度設定範例表1-7.溫度量測部位CH1CH2CH3CH4裝配表面主要面主要面主要面主要面部品名稱BGA(本體)QFP(本體)鋁質電解電容器BGA(錫球)(6)迴焊/波焊製程之溫度控制在Seiko Epson製造生產線上，所裝配之電路板在生產時均經過了數個的銲錫製程，如：迴焊及波焊製程。在迴焊/波焊製程中，使用錫-銀-銅銲錫迴焊

19、於一面電路板上時，在銲錫腳上會有隆起現象之產生，如下表1-8所示。此為當迴焊接於迴焊面中零件有一含鉛鍍層時所造成在接合面上產生分離之情形，此例中為有一較錫-銀-銅銲錫熔點為低的合金層組成存在。在波焊製程時，此一較低熔點之合金層將因接觸錫波而產生全部或部分的熔解，因此在焊接區上的某些部分造成隆起之現象。在Seiko Epson中確認若在波焊製程中將迴焊面保持其接合溫度在150ºC或以下時即可防止隆起之現象產生，且其在接合強度上亦不會有任何之問題。表1-8.迴焊焊接表面在波焊製程時之情況錫-銀-銅銲錫，90錫-10鉛鍍層迴焊面溫度：170ºC及以上迴焊面溫度：150º

20、C及以下圖1-7.迴焊面溫度與焊接區接合強度之影響圖1-8.迴焊面溫度與焊接區隆起之影響錫槽溫度：255拉力強度N隆起比率%90錫-10鉛鍍層150及以下170及以上迴焊面焊接區域溫度迴焊面之焊接區域最大溫度(7)區域陣列型包裝元件之接合可靠性研究人員研究在使用錫-銀-銅銲錫於區域陣列型包裝元件時，如BGA球狀陣列元件Ball Grid Array及CSP晶片構形包裝Chip Scale Packaging零件的接合強度之情形。以溫度循環測試之方式來作為可靠性測試之結果，利用量測焊接區之溫度疲勞性並以Coffin Mansion方程式(4)修正這些測試的結果後判定其接合處之可靠性。結果顯示相較

21、於傳統的63錫-37鉛銲錫，錫-銀-銅合金銲錫有更超過三倍之可靠壽命。證明當使用錫-銀-銅銲錫於裝配區域陣列形包裝元件時將有相當高之可靠性。循環次數平方英吋 1/(1-F(t)累積故障率%i) 接合可靠性測試結果圖1-9.區域陣列形包裝元件焊接區之疲勞特性表1-9.區域陣列形包裝元件焊接區之可靠壽命銲錫合金測試環境/使用環境63錫-37鉛錫-銀-銅測試循環次數6012105-40ºC至125ºC，每週期30分鐘使用壽命年103325ºC至70ºC，每週期1天依據這些結果來推斷其焊接區域之可靠壽命，粗估1%之累積故障率後其63錫-37鉛銲錫為10年而錫-銀

22、-銅銲錫為33年。ii) 溫度循環測試之加速性由使用環境衍生出溫度循環測試的環境加速性可利用一如下方程式(1)修正Coffin Mansion方程式所導出之加速係數AF來定義，而用這個加速係數計算多重故障週期基於測試資料來估算其接點壽命。說明：ff及ft為於個別範圍及測試情況下之開/關循環次數Tf及Tt為於個別範圍及測試情況下之溫度範圍Tmax-f及Tmax-t為於個別範圍及測試情況下之峰值溫度H為銲錫之活化能，0.123eVK為Boltzmann常數M為1/3而n為1.92.波焊製程(1) 錫-銅銲錫之波焊製程i) 波焊區域之情形錫-銅合金銲錫之熔點溫度為227，其約較常用的63錫-37鉛合

23、金銲錫之熔點溫度183高出約40左右。雖然在應用上或許有些關於焊接溫度升高之顧慮，但基於以下的兩個理由亦可望於使用相較於63錫-37鉛銲錫僅升高錫槽溫度約10之方式實現作業之。 在使用63錫-37鉛銲錫時錫槽溫度已設定於介於240至250之間。 關於波焊之最佳化情形為(1)銲錫滲出量，(2)噴附助焊劑，(3)預熱溫度，等表2-1顯示當使用錫-銅銲錫及63錫-37鉛銲錫於波焊之情形。其可知錫-銅合金銲錫之焊錫性並不弱於63錫-37鉛合金之銲錫。表2-1.波焊情形初始狀況錫-銅銲錫錫槽溫度：25563錫-37鉛銲錫錫槽溫度：245微視圖ii) 最佳化波焊情形範例最佳化噴附助焊劑一般而言，無鉛銲錫在

24、貫通孔及零件腳上之潤濕性較於63錫-37鉛銲錫有較弱之表現，在Seiko Epson，研究人員於波焊製程上希望能選擇一可完整塗佈於零件表面之理想噴附助焊劑以提供同63錫-37鉛銲錫相同之潤濕性，同時也對焊接狀況最佳化如錫槽溫度等來配合目標電路板。為了求取最佳化之噴附助焊劑，其亦修改了活性劑及以增加固態物等成分方式來改善其潤濕特性。表2-2.波焊狀況範例銲錫錫槽溫度250±5Dip時間3至5秒噴附助焊劑修正活性劑，增加固態物當銲錫於最佳波焊狀況作業時，其在貫通孔及在零件腳之銲錫潤濕性是相當近似於63錫-37鉛銲錫之結果的。表2-3.在貫通孔與零件腳銲錫之潤濕性錫-銅銲錫： 錫槽溫度=2

25、55零件側銲錫側板厚=1.6mm四層板(2) 錫-銅銲錫之接合可靠性i) 接點強度評估溫度次數63錫-37鉛銲錫錫-銅銲錫錫槽溫度：250錫-銅銲錫24563錫-37鉛銲錫溫度循環測試：-40至125單面電路板：t=1.6拉出強度N研究人員評估使用錫-銅銲錫及63錫-37鉛銲錫在流焊波焊製程之接合可靠性。在可靠性測試後，錫-銅銲錫在初始狀態中即顯現出較佳的拉出強度，顯示其具有適當的接點可靠性。圖2-1.波焊焊接區域之疲勞特性ii) 焊接區於溫度循環測試後之接合狀態表2-4顯示於溫度循環測試後波焊焊接區域之斷面圖。於溫度循環測試後有一大的裂痕出現在63錫-37鉛合金銲錫焊接之區域上，而在錫-銅合

26、金銲錫焊接之區域僅有非常微小的裂痕產生，因此錫-銅合金銲錫可確認其具有較佳的抗溫度疲勞特性。表2-4.於接合可靠性測試後之焊接區域斷面圖單面電路板，溫度循環測試：-40至125初始狀況溫度循環測試後2000次63錫-37鉛銲錫錫槽溫度：245錫-銅銲錫錫槽溫度：255表2-5顯示於1000次溫度循環測試後兩焊接區域情形之放大圖。在63錫-37鉛銲錫上有粗糙的鉛析出增長且於顆粒粗糙的焊接面上開始發生裂痕。相較之下，錫-銅銲錫上僅能發現非常微小的裂縫，顯示錫-銅銲錫在接合可靠性上遠高於63錫-37鉛銲錫。表2-5.可靠性測試後焊接裂痕區之放大圖單面電路板，溫度循環測試：-40至125錫-銅銲錫錫槽

27、溫度：25563錫-37鉛銲錫錫槽溫度：245於溫度循環測試1000次循環後iii) 黏附力特性銲錫型式63錫-37鉛錫-銀-銅錫銅損壞壽命h有時候，焊點必須將相當大且重的零件固定於其位置上通過一流焊製程。”黏附力”是定義於當一穩固的結構由於施加超時的壓力應力而逐漸損壞之評估。研究人員比較及評估了現用的63錫-37鉛銲錫以及候選的錫-銅銲錫之黏附力特性重要特性。同時也對錫-銀-銅銲錫亦進行了相同類似的評估。其每一型的銲錫黏附特性說明如下圖2-2。圖2-2.高溫環境下各型銲錫之黏附特性如圖2-2所示，當現用的63錫-37鉛銲錫在這兩種測試溫度環境中之損壞壽命只有短短少數幾個小時時，錫-銀-銅銲錫

28、及錫-銅焊錫於125時均有超過1000小時之損壞壽命，而在150的環境中錫-銀-銅銲錫有超過1000小時之損壞壽命且錫-銅銲錫亦有約700小時左右。由此結果看來，很明顯的在這基本重要的特性上，兩型無鉛銲錫均有極優異於63錫-37鉛銲錫之表現。因此，可證明當使用這些形式之無鉛銲錫於焊接相當大且重之零件時，其均具有足可勝任之接合可靠性。(3) 燈蕊效應片狀隆起現象i) 無鉛銲錫之燈蕊效應當無鉛銲錫使用於通過波焊製程之零件裝配時，一種稱為”隆起” 之現象燈蕊效應即可能會因而產生隆起現象之發生僅於無鉛銲錫。隆起可敘述為於波焊完成後即刻可由接面焊接區域發生之局部分離現象，且其具有大多常發生於多層電路板貫

29、通孔上之特性。有許多各種不同的研究計劃均致力於預防如這樣的隆起效應的產生，但是迄今仍沒有任何一個能達到完全的成功。於Seiko Epson，樣本上隆起的發生及其接合可靠性之影響在發現有隆起效應發生後即有開始針對其在接合強度及在電氣可靠性之影響上做了評估。表2-6.發生隆起現象之波焊接區域情形錫-銅銲錫外觀視圖隆起之顯微放大ii) 隆起發生之過程電路板由於電路板於板厚方向收縮之應力由於相關凝固收縮之應力電路板斷面圖接面分離銲錫零件腳雖然於隆起發生之過程中仍有某些不確定的剩餘細節部分未解，但其推斷應為如圖2-3所顯示之作用過程而產生。(6)圖2-3.隆起發生之過程簡化圖iii) 接合強度評估拉力強

30、度N溫度循環錫-銅銲錫63錫-37鉛銲錫溫度循環測試：-40至125錫槽溫度：255錫-銅銲錫：24563錫-37鉛銲錫雙面電路板研究人員對一有發現燈蕊效應產生之雙面電路板貫通孔區域上進行其接合強度之評估。在對幾乎所有的錫-銅銲錫及63錫-37鉛銲錫樣本進行破壞性測試直到零件腳損壞並取得確實的數值後，得到這兩種形式之銲錫在接合強度上均有相同等級表現之結果。換句話說，發現燈蕊效應之焊接區域仍具有與適當條件相同之足夠的接合強度。圖2-4.波焊區域之疲勞特性iv) 電氣可靠性評估溫度循環溫度循環測試：-40至125錫槽溫度：255錫-銅銲錫：24563錫-37鉛銲錫雙面電路板阻抗值*10-2錫-銅銲

31、錫63錫-37銅銲錫雖然當焊接區域上有燈蕊效應產生時其仍無接合可靠性之問題，但可以理解的是由於電路板損壞如接面分離等是否會對電氣特性等造成降低之影響如焊接區域阻抗值增加及開路缺陷。在Seiko Epson，研究人員藉由以溫度循環測試研究焊接區域阻抗值之改變來確認可靠性作為評估電氣可靠性之測試。測試結果顯示於焊接區域中有極微小的阻抗值增加。研究人員亦確認當錫-銅銲錫在燈蕊效應發生時其接點阻抗值實際數值仍是約與傳統的63錫-37鉛銲錫相同等級。因此，可判斷只要焊接作業是正確且適當的進行，其仍可確保具有足夠的可靠性，甚至當有燈蕊效應產生時亦然。圖2-5波焊區域之電氣特性v) 焊接區域之觀察可靠性測試

32、後裂痕如表2-7所示為在將燈蕊效應產生樣本焊接區域作溫度循環測試中所發生的。在63錫-37鉛，約於500次溫度循環後這些裂痕即開始產生，而在錫-銅銲錫則於經過1000次溫度循環後仍未發生。所以研究人員判斷錫-銅銲錫相較於63錫-37鉛銲錫有較強的抗溫度疲勞特性。表2-7.於可靠性測試後波焊區域之情形雙面電路板：於2000次溫度循環後錫-銅銲錫63錫-37鉛銲錫基於這些接合特性、電氣特性及觀察焊接區域狀況等之結果，研究人員確認燈蕊效應對於於接合可靠性上是有非常小的影響，但是並不會造成任何實質上的問題。3.人工焊接製程手焊作業製程(1) 當使用錫-銀-銅銲錫於人工焊接之情形63錫-37鉛銲錫錫-銀

33、-銅鉛銲錫烙鐵尖端溫度烙鐵尖端溫度適當的焊接溫度範圍適當的焊接溫度範圍潤濕比例mm2潤濕比例mm2研究人員利用銲錫於銅墊上之潤濕潤濕區域情形做為最佳化結果之指標來有效的進行焊接烙鐵尖端的溫度試驗。如圖3-1所示，銲錫之潤濕潤濕性於錫-銀-銅銲錫及63錫-37鉛銲錫兩者間並沒有相當的差異，當烙鐵尖端的溫度設定於350及以下時作業性即顯得低落銲錫不易熔化，等；而當烙鐵尖端溫度設定為380以上時，如助焊劑焦化或焊墊分離等溫度破壞之情形即會於電路板或零件上產生。圖3-1.銲錫於銅墊上之潤濕區域表3-1. 不同的烙鐵尖端溫度之銲錫潤濕情形烙鐵尖端溫度錫-銀-銅銲錫63錫-37鉛銲錫330370(2) 錫

34、-銀-銅銲錫之人工焊接特性研究人員評估錫-銀-銅銲錫於不同烙鐵尖端溫度及焊接時間下之人工焊接特性。i) 人工焊接狀況當烙鐵尖端溫度設定於340時，焊接作業將變得較為困難且於焊接區域上亦有產生錫尖細絲之傾向產生。但儘管由作業性操作性之觀點看來設定370之烙鐵尖端溫度是最好的，焊接作業仍亦必須快速地進行作業以避免由於過長的焊接時間所導致削下電路板焊墊情形之傾向發生。表3-2.基於不同的烙鐵尖端溫度及焊接時間之人工焊接特性烙鐵尖端溫度焊接時間3403701秒3秒5秒ii) 接合強度焊接時間秒錫-銀-銅銲錫R1608零件剪力強度N烙鐵尖端溫度：340烙鐵尖端溫度：370先前所述，由作業性操作性之觀點看

35、來設定於370之烙鐵尖端溫度是最好的，但當焊接時間過長時其接合強度亦有下降的情形，如下圖3-2所顯示。較長的焊接時間也有造成溫度破壞或削下電路板焊墊情形之傾向。因此，當在使用人工焊接時較短的焊接時間亦是必要的。圖3-2. 於各種人工焊接狀況下之人工焊接強度特性(3) 最理想狀況下之人工焊接特性當人工焊接使用錫-銀-銅銲錫於如QFP等包裝元件時，當烙鐵尖端溫度是360以下時銲錫之作業性變得相當的困難。而當烙鐵尖端溫度是在380以上時，助焊劑的焦化又會產生。因此，於人工焊接時烙鐵尖端溫度必須設定於約370左右。當用錫-銀-銅銲錫於適當的溫度下進行人工焊接時，亦可獲得相當於63錫-37鉛銲錫相同之焊

36、接特性，如下表3-3所示。表3-3.錫-銀-銅銲錫之焊接特性p0.5mm QFP，錫-10鉛鍍層錫-銀-銅銲錫烙鐵尖端溫度：37063錫-37鉛銲錫烙鐵尖端溫度：350外觀視圖斷面圖(4) 人工修焊/重工之接合強度90錫-10鉛鍍層錫-銀-銅A型錫-銀-銅A型63錫-37鉛銲錫拉力強度N未修焊錫-銀-銅A型錫-銀-銅B型63錫-37鉛未修焊錫-銀-銅A型錫-銀-銅B型63錫-37鉛未修焊錫-銀-銅A型錫-銀-銅B型63錫-37鉛修焊之銲錫使用在某些例子裏，於製造生產線中使用無鉛銲錫人工修焊或重工零件均於裝配完成之後才於其焊接區域上進行。而另外其他的例子中，亦有使用現用的63錫-37鉛銲錫修焊於

37、已焊接之裝配點或元件等，如修焊工業用零件等之情形。因考量這兩種情形均會發生，所以研究人員即評估當修焊/重工焊接區域中的無鉛銲錫混合63錫-37鉛銲錫時其接合強度之狀況。其焊接於一QFP零件腳上之接合強度情形如下圖3-3所示。圖3-3.無鉛銲錫焊接修焊之接合強度影響當對不同型之銲錫使用於修焊另一原本由無鉛銲錫焊接之零件時，並沒有觀察到期接合強度上有實際的降低。相反地，若為無鉛銲錫使用於修焊一由63錫-37鉛銲錫所裝配之零件時亦然。因此，可確認使用無鉛銲錫於焊接修焊作業上是不會有問題的。4.無鉛零件腳鍍層之裝配特性零件裝配製程中推動鉛之消除不僅包含使用無鉛銲錫來連接裝配元件，而且零件腳上無鉛鍍層之

38、使用亦然。在許多的例子中，錫-鉛銲錫鍍層仍是普遍使用於零件腳上之電鍍材料，而製造商部分亦是積極於研發無鉛的替代材料中，迄今為止，已有數種無鉛的零件腳鍍層被推薦使用。其推薦之不同組成成分的錫、銀、以及/或有些銅的成分加入的一些主要無鉛零件腳鍍層材料之銲錫接合特性在Seiko Epson均有做了配合之確認。表4-1中列出目前為止已確認之無鉛的零件腳鍍層材料。如圖4-1至圖4-5所示，其可確認與錫-銀-銅銲錫合金接合之可靠性均等於或更高於63錫-37鉛銲錫合金之表現。表4-1. 使用於裝配評估零件QFP零件腳之鍍層材料鍍層材料鍍材組成QFP外型錫-鉍型98wt%錫-2wt%鉍P0.5mmQFP208

39、pin錫-銅型98.5wt%錫-1.5wt%銅錫-銀型96wt%錫-4wt%銀錫100wt%錫鎳-銻-金-評估基材：玻璃環氧樹脂基板FR4 板厚：t=1.6mm裝配狀況：大氣迴焊峰值溫度使用無鉛銲錫：235峰值溫度使用63錫-37鉛銲錫：230溫度循環測試：-40至125錫-2鉍型鍍層拉力強度N錫-銀-銅銲錫錫-銀-銅-鉍銲錫63錫-37鉛銲錫溫度循環i) 錫-鉍型鍍層圖4-1.錫-鉍鍍層焊接區域之疲勞特性溫度循環測試：-40至125錫-1.5銅型鍍層拉力強度N63錫-37鉛銲錫ii) 錫-銅型鍍層錫-銀-銅銲錫錫-銀-銅-鉍銲錫溫度循環圖4-2.錫-銅鍍層焊接區域之疲勞特性溫度循環測試：-40至125錫-4銀型鍍層拉力強度Niii) 錫-銀型鍍層錫-銀-銅銲錫63錫-37鉛銲錫錫-銀-銅-鉍銲錫溫度循環圖4-3.錫-銀鍍層焊接區域之疲勞特性溫度循環錫-銀-銅銲錫錫-銀-銅-鉍銲錫63錫-37鉛銲錫溫度循環測試：-40至125拉力強度N錫型鍍層iv) 錫鍍層圖4-4.錫鍍層焊接區域之疲勞特性拉力強度N溫度循環測試：-40至125鎳/銻/金型鍍層v) 鎳/銻/金鍍層溫度循環錫-銀-銅銲錫錫