摘要

随着电子产品市场需求持续增加，在半导体封装与印刷电路板（PCB）组装制程中使用之锡球与锡膏用量将急遽成长。一般焊料之成分多为锡铅共融合金（ 即63Sn/37Pb），而其中铅含量已证实对人体免疫功能具严重负面影响。因而，欧、美与日本等国之环保联盟已订定电子构装制程中，限制铅含量的里程碑。由于欧、美与日本为我国电子产品之主要销售市场，此外，国内亦不乏美、日笔记本电脑及手机代工（OEM）厂商，此环保议题将对国内电子产业生产制程造成相当大之冲击。相关厂商无不积极搜集资料，评估各种无铅焊料并因应调整其生产制程。本研究与国内、外电子业界产学合作，针对市场上提供之数种无铅焊料系统进行评估，并探讨无铅焊锡之实用性与其在制程上将面对之问题。研究内容包括无铅焊锡湿润特性分析，及经过恒温老化实验后，焊点机械强度之相关研究。研究结果显示，数种无铅锡膏经多次回流焊接后，其湿润特性并无明显下降，因此适用PCB 双面板制程及多次回焊重工程序。此外，锡/银焊料于225℃~249℃温度下，能有效覆盖直径60 mils 之焊垫表面。老化实验结果指出，无铅焊料之共金（Intermetallic）厚度依老化时间增加明显成长，然而锡球之剪应力却不随老化时间增加而降低。本研究并发现，无铅焊锡在电子构装及组装制程中具有应用发展之潜力；然而，适用无铅焊锡之助焊剂系统仍有待进一步设计改善。

关键词：绿色科技，电子构装，PCB 组装制程，无铅焊锡，老化实验

1. 前言

随着电子产品需求急剧成长，估计未来在电子产品焊锡中使用铅的消耗量将大增。以半导体封装厂而言，一些电子组件针脚的表面，或球脚格状数组封装组件（Ball Grid Array；BGA ）的锡球中，均含有铅的成分，且在PCB 生产过程中，可能会在板上喷锡。系统组装厂也在生产中使用锡膏来完成焊接，而锡膏多含锡/铅合金。

虽然国内系统厂多具备研发能力，但代工（OEM）仍是台湾经济发展的重要资源，而代工业需要依照客户要求来生产。此外OEM 的主力客户，多为欧、美及日本等国电子大厂，此均为环保意识高涨的国家。且铅中毒已证实将危害人体免疫功能。因此，业者承受相当压力，无不积极收集无铅焊锡相关资料以期有效提升制程能力。

由于锡/铅合金已经在电子厂的生产制程中，使用了很多年，因此于短期内更改使用无铅焊锡，此将面临一些冲击，例如PCB 可否承受高温。此外，专家需经由可靠度验证以确定终端产品之可靠性。基于上述原因，本研究将针对各合金系统，搜集市场上各种无铅合金成分，进行焊料的湿润性及恒温老化实验后焊点强度的评估。

2. 无铅焊锡的湿润性

在无铅合金的评估中，必须考虑不同材料组合，常见的合金成分包括以下几类：

二元素合金系统：包含锡(96.5)/银(3.5)、锡(99.3)/铜(0.7)、锡(48)/铋(52)等三种元素合金。
三元素合金系统：包含锡(95.5)/银(4) /铜(0.5)及锡(91.8)/银(3.3)/铋(4.8)两种元素合金。
四元素合金系统：包含锡(96.2)/银(2.5)/铜(0.8)/锑(0.5)之元素合金，又名CASTIN。

为评估无铅焊料于PCB 组装制程中之适用性，本研究包含三个部分：

1. 有效分析无铅合金的湿润性(Wetting)。
2. 各种助焊剂对湿润性造成的影响。
3. 当焊垫尺寸受到限制时，无铅焊料之湿润性研究。

2.1 无铅焊锡的湿润特性

在锡膏与焊接表面间，要形成较佳的冶金(Metallurgical)结合力，可从物料特性与制程参数两方面来考虑。其中可能牵涉交互影响，在物料特性方面， 需考虑焊锡合金(Solder alloy)、助焊剂(Flux) 、焊垫的金属成分(Pad metallurgy)等。在制程参数方面，则需考虑回流焊接(Reflow)参数、焊接环境之气体成分(含氧量)之设定等。

为有效分析无铅合金的湿润特性(Wetting ability)，实验叙述如下：

1. 参数选择：在合金的选择上，使用锡/银、锡/银/铜、CASTIN 等三种无铅合金。焊垫表面之金属成分则分别选择铜垫覆以有机可焊性保护膜(Cu Organic Solder Protection；OSP)、镍/金与镍/钯等三种。同时在无铅环境下以热气流焊接。

2. 实验方法：在焊垫表面涂布助焊剂薄层并植入锡球(如图一所示)，在锡球成形处形成一个接触角(如图二所示)，使用3D 表面扫瞄仪来做夹角量测(如图三所示)。当锡/铅焊料在铜OSP 与镍/金焊垫上之湿润性优于其在镍/钯焊垫上之湿润性（见图四）。再者，经由多次回流焊后，湿润特性并无明显下降，因此可应用于PCB双面板制程及多次回焊重工程序。图四到图六分别为不同的锡膏合金，在各种焊垫上经过一到数次回焊之后，焊料扩散直径数值之比较。

图一. 焊垫上涂布助焊剂之情形

图二. 3D 表面接触仪湿润性量测

图三. 接触角量测图

图四. 锡/铅合金扩散直径折线图

图五. 锡/银合金扩散直径折线图

图六. CASTIN 扩散直径折线图

3. 表一为锡/银、CASTIN 及锡/铅等三种锡膏合金在不同焊垫上湿润性所形成之接触角数据。由表一得知，使用铜OSP 的焊垫时，无铅焊料的湿润性比锡/铅焊料明显较差。使用镍/金的焊垫，无铅合金中锡/银与CASTIN 两种合金的湿润性差异不大。以湿润性而言，无论是锡/银合金、CASTIN 或锡/铅合金，使用镍/金焊垫之湿润性较其它两种焊垫为佳。一般而言，焊料回焊后之扩散面积与焊点接合强度未必相关。此外，镍/钯通常用于为QFP 组件接脚镀层，而大部分的无铅焊料均显示，涂布在铜OSP 的焊垫上湿润性普遍较涂布于其它焊垫低。

表一. 合金湿润接触夹角比较表

4. 导致铜OSP 湿润性较其它焊垫表面金属差之可能原因包括以下几点。首先，回流温度高的情况下，铜容易发生氧化；其次，现阶段使用之助焊剂系统并不适用于无铅焊料，由于助焊剂的沸点较低以至于在无铅焊料于回焊湿润期间，大部分助焊剂多已挥发，只有极少甚至是没有助焊剂来提升湿润性。此外，在无铅合金与铜垫之接口，因化学作用而形成共金（Intermetallic），此亦将对湿润性造成负面影响。因此，对于无铅焊料的湿润能力，应藉由改善助焊剂系统的设计着手。

2.2 不同助焊剂造成的影响

由于助焊剂系统是影响湿润性良莠的主要原因之一，为分析助焊剂对湿润性造成的影响，本研究规划以下实验，叙述如下：

1. 参数选择：首先选择四种不同助焊剂型号：两种常见的助焊剂(FluxA 与FluxB)、适合含铅量高的锡膏之助焊剂(FluxC)以及另一种以环氧基树脂为主要成分的助焊剂(FluxD)。其次选择两种无铅合金：锡/银及CASTIN，且均使用铜OSP 的焊垫， 在氮气环境下回焊( 氧浓度<150ppm)。

2. 由图七中含不同助焊剂成分的锡膏扩散比较，显示出FluxD 的表现较其他种类的助焊剂稍微好些，而FluxC 的效果很差，且活化性低。因此实验结果显示，对无铅焊锡的湿润性而言，助焊剂的选择扮演重要的角色。

图七. 不同助焊剂的扩散比较图

3. 助焊剂残余物：若使用免清洗的助焊剂，锡/锌/铋合金锡膏中的助焊剂多具有高活性，而锌本身具有强腐蚀性，且易氧化。若在氮气下进行回焊制程， 而用丙酮(Acetone)或异丙醇(Isopropyl alcohol)来清洗，则在PCB 焊点附近将产生白色的助焊剂残余物，此将可能造成电子组装上一些重要的问题。

2.3 焊垫大小受到限制时

上述实验中焊垫尺寸未受限制，本研究亦针对焊垫尺寸对无铅焊料湿润性之影响性进行分析。实验样本选择焊垫直径范围为30~70 mils(千分之一英吋)，每隔5 mils 差异取一样本，再加上80、90及100 mil 样本，共12 种焊垫尺寸样本，亦将锡球直径固定为30 mils。

图八是在三种不同直径的焊垫上，锡/银合金回焊后的扩散情形，当焊垫直径在60 mils 时，锡/银合金能完全覆盖焊垫。图九则是在80 mils 与100mils 直径的焊垫上，锡/铅合金之扩散情形，当焊垫的直径为100 mils 时，锡/铅合金仍能完全覆盖焊垫。而无铅焊锡足以覆盖直径60 mils 的焊垫，对于BGA/CSP 组件的技术而言已经足够，因此无铅焊料湿润性对此种技术来说并无严重问题点。然而，在穿孔式组件需穿过较厚的PCB 时，锡膏的湿润性则成为需要考虑的问题。

图八. 锡/银合金回焊后情形图示

图九. 锡/铅合金回焊后情形图示

3. 恒温老化实验

针对半导体封装厂的BGA 组件而言，以无铅合金为其锡球成分，其焊点强度是否维持客户要求水平，亦是重要的一环。因此，本研究进行固定温度之老化实验(Aging)，视其剪应力强度是否发生衰减现象。实验中使用三种不同的锡球合金(锡/铅、锡/银及CASTIN)，并选择两种常见的焊垫(铜OSP、镍/金)，并分别在125℃及150℃两种温度下做老化实验。再以万能试验机执行推力试验，于水平方向将锡球推至完全断裂为止。测试过程中，量测测试针头对于锡球所施加的推力，再进行失效模式探讨，并分析锡球可承受之最大剪应力(见图十)。

图十. BGA 锡球强度测试设定图

将试片置于显微镜下观察失效原因及破坏接口，发现包含两类失效模式，分别叙述如下：

1. 延性断裂(Ductile failure)：在锡球本体受力而逐渐产生裂痕直至断裂。图十一为延性断裂之情形，造成断裂所受之剪应力与测试针头位移之关系如图十三(a)所示。

图十一. 延性断裂图

2. 脆性断裂(Brittle failure)：主要是在锡球与焊垫接合接口产生断裂。图十二为脆性断裂之情形，所受之剪应力与测试针头位移之关系如图十三(b)所示。

图十二. 脆性断裂图

图十三. (a)延性断裂 (b)脆性断裂之剪应力图示验后，剪应力强度的比较图。

比较图十三(a)及(b)，可发现到达最高剪应力时，图十三(a)的延性断裂将造成应力逐渐消减，而图十三(b)之脆性断裂情形则造成应力剧降。本实验亦将焊垫形成方式列为考虑因素，针对两种不同开孔形式，做无铅合金锡球剪应力之比较。图十四(a)与(b)分别为焊垫定义(Pad defined)与防焊层定义(Mask defined)之焊垫形成方式图示，两者的差异在于前者开孔直径较后者大，因此对焊垫定义方式而言，锡球与基板间的接触面积较大，其所能承受最大剪应力普遍高于后者。在使用铜OSP的焊垫与锡/银合金的锡膏条件下，图十五(a)与(b)分别为针对两种不同焊垫形成方式做老化实验后，剪应力强度的比较图。

图十四. (a)焊垫定义 (b)防焊层定义之焊垫形成方式图示

图十五. 使用 (a)锡/银合金 (b)锡/铅合金 时，不同开孔形式之锡球剪应力强度比较图

实验结果指出，金属界面之共金成长（ Growth trend）与剪应力强度下降与否并无显著关联。在老化实验中，当温度设定为125℃时，失效模式均为延性断裂而非脆性断裂，但当老化实验超过500小时之后，破坏模式开始由延性断裂转变为脆性断裂；若在相同情况下，将老化环境温度设定改为150℃，则失效模式为脆性断裂之情形将会非常明显。

4. 结论

研究结果显示，数种无铅锡膏经多次回流焊接后，其湿润特性并无明显下降，因此适用PCB 双面板制程及多次回焊重工程序。此外，锡/银焊料于225℃~249℃回焊温度下，能有效覆盖直径60 mils 之焊垫表面。老化实验结果指出，无铅焊料之共金厚度依老化时间增加而明显成长。然而，锡球之剪应力强度却不随老化时间增加而降低。本研究并发现，无铅焊锡在电子构装及组装制程中具有应用发展之潜力；然而，适用无铅焊锡之助焊剂系统仍有待进一步设计改善。

若电子组装使用无铅制程，需要考虑的因素仍然很多，例如无铅合金选择之成本考虑及其他改变的可行性等。期待未来电子产业界之生产流程将全面使用无铅制程，以因应使环境污染降至最低之需求。

致谢
本研究承环球仪器公司电子构装制程实验室George Westby 先生协助，特此感谢。

5. 参考文献

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