焊接原理與焊錫性

文章出處： admin發布時間： 2012年6月25日人氣 6901

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 TTIN20110810)

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