電鍍用合金

1、電 鍍 用 合 金,Pb - Sn 合 金,一般共融合金的熔點(diǎn)(melting point)常落在一點(diǎn)上而不同於其他組成.當(dāng)呈現(xiàn)軟化時(shí),其熔點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)在一段溫度範(fàn)圍中.愈接近共融組成的合金,其溫度熔點(diǎn)愈窄,非共融之合金,其熔點(diǎn)範(fàn)圍較大,不能用於電子零件的組裝用途.SMT最常用到的焊錫合金是Sn63/Pb37及Sn62/Pb36/Ag2等兩種組成,前者廣用於錫膏或波焊之焊錫,因其為共融組成,熔點(diǎn)最低.後者僅用於

2、錫膏或焊錫絲中,對(duì)於片狀小零件含有鈀或銀的封頭焊接較為方便.於合金中加入2%的銀使焊料在高溫中先形成一種少量的銀錫合金體,使封頭中銀不再容易滲出來(lái).,雜質(zhì)對(duì)錫鉛合金的影響,A.銻（Sb）銻含量在0.5%以內(nèi)時(shí)對(duì)錫鉛焊錫不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響,但含量在1.0%時(shí)就會(huì)減少散佈面積的25%並減緩沾錫的速度.小量的銻含量反而有益,因?yàn)樗鼤?huì)和鋁形成金屬介在物而減輕鋁的污染.添加銻至Sn60-Pb40會(huì)提高其拉伸強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度.B.銅（Cu）如果

3、銅含量超過(guò)0.2%時(shí)就會(huì)增加架橋(bridging)的可能性,因?yàn)樵诶鋮s過(guò)中多餘的銅會(huì)和錫產(chǎn)生針狀的Cu6Sn5之金屬介在物增加焊錫之黏滯性,進(jìn)而產(chǎn)生架橋現(xiàn)象,並且會(huì)產(chǎn)生砂礫狀表面.C.金(Au)和銀(Ag)在250?C時(shí)銀在Sn60-Pb40的溶解度大約為5%.如果銀的溶解度低於2%時(shí)對(duì)於銲接的特性不會(huì)有明顯的影響,但溶解度高於2%時(shí)表面會(huì)因金屬介在物產(chǎn)生而呈砂礫狀.當(dāng)金的含量在0.5%以下時(shí),對(duì)銲接沒(méi)有影響,不過(guò)當(dāng)含量超過(guò)4%

4、時(shí),焊錫合金在承受外力時(shí)會(huì)發(fā)生脆性斷裂.D.鋁(Al),鋅(Zn)和鎘(Cd)添加鋁,鋅和鎘會(huì)在合金產(chǎn)生一層薄而強(qiáng)韌的氧化膜使得銲接變?yōu)椴豢赡?這些合金的容許含量很低,大約為0.005%.,鴻海使用之錫鉛合金,錫 鉛 金 屬 介 在 物,合金(或稱銲錫Solder)在高溫下和銅、鎳、金、銀等底材反應(yīng),快速形成薄層狀似〝錫合金〞的化合物.此物起源於鍚金屬原子及底金屬原子之相互滲入、遷移、及擴(kuò)散，而在冷卻固化之後立即出現(xiàn)一層薄薄的〝共化

5、物〞,且還會(huì)逐漸增厚.此類物質(zhì)由其老化的程度及錫原子與底金屬原子互相滲入的多少，而又可分出許多共化物的層次來(lái).這種由銲錫與其底金屬介面之間所形成的各種共合物,統(tǒng)稱intermetallic compound簡(jiǎn)稱IMC.,錫 鉛 金 屬 介 在 物 之 特 性 (1),IMC是一種化合物和原來(lái)的金屬之性質(zhì)不同,對(duì)整個(gè)焊點(diǎn)強(qiáng)度也有不同程度的影響.a.在高溫焊接或重熔時(shí)才會(huì)生成，有一定的組成及晶體結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)速度與溫度成正比。.直到出現(xiàn)阻絕

6、層(Barrier)才會(huì)停止.b.常具有不良的脆性，會(huì)損及焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度及壽命，其中尤其對(duì)疲勞強(qiáng)度(Fatigue Strength)為害最烈,且其熔點(diǎn)也很高.c.由於銲錫在介面附近的鍚原子會(huì)逐漸移走，而與底金屬組成IMC錫量減少，使得該處的錫量減少，相對(duì)的使得鉛量之比例增加，以致使焊點(diǎn)展性增大(Ductility)及固強(qiáng)度降低，久之甚至帶來(lái)整個(gè)焊錫層的鬆馳.,錫 鉛 金 屬 介 在 物 之 特 性 (2),d.一旦焊墊上原有的

7、熔鍚層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)〝較厚〞的IMC後，對(duì)該焊墊以後再續(xù)作焊接時(shí)會(huì)有很大的妨礙﹔也就是在焊錫性(Solderability)或沾錫性(Wettability)上都將出現(xiàn)出劣化的惰形.e.焊錫中由於錫銅結(jié)晶或錫銀結(jié)晶的沉澱，使得焊錫本身的硬度也隨之增加，久之會(huì)有脆化的麻煩。f.IMC會(huì)隨時(shí)間老化而逐漸增厚，通常其已生長(zhǎng)的厚度，與時(shí)間大約形成拋物線.,Cu-Sn介面合金共化物的生成,當(dāng)融態(tài)的銲錫落在清潔的銅面上時(shí),立即

8、發(fā)生沾錫的焊接動(dòng)作立即會(huì)有錫原子擴(kuò)散到銅層中，而銅原子也在瞬間同時(shí)擴(kuò)散進(jìn)二者在交界面上形成Cu6Sn5的IMC,稱為?-phase,此種新生化合物中含錫之重量比約占60%.在長(zhǎng)時(shí)間老化過(guò)程中, ?-phase IMC 與銅底材之間,會(huì)因銅量不斷滲入Cu6Sn5中而漸使其組成改變?yōu)镃u3Sn 的?相,其中的銅量由早先Cu6Sn5的40%增加到Cu3Sn 的66%. 此種老化劣化之現(xiàn)象,隨著時(shí)間及溫度而加劇,而溫度的影響尤其更烈. Cu

9、3Sn 的表面能只有Cu6Sn5的一半,因而Cu3Sn 是一種對(duì)焊錫性有妨礙的IMC.?-phase Cu6Sn5是良好焊錫性的表徵,若無(wú)該Cu6Sn5存在則焊錫只是在縮錫的狀態(tài)下暫時(shí)冷卻固化在銅面上而已,稱為冷焊(cold soldering).,焊 錫 性 和 表 面 能,?可焊與否取決於金屬面之表面能與焊錫本身的表面能二者而定.?凡底金屬面之表面能大於焊錫之表面能時(shí)，則其沾錫性非常好，否則沾錫性變差.當(dāng)?shù)捉饘倜嬷?/p>

10、面能減去焊錫之表面能而得到負(fù)值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)縮錫(Dewetting)，負(fù)值愈大則焊錫愈差，甚至造成不沾錫現(xiàn)象(Non-Wetting).?新鮮的銅面在真空中的 “表面能”可達(dá)1265達(dá)因/公分，63/37的焊錫加熟到融點(diǎn)(Eutectic Point 183?C）並在助焊劑的協(xié)助下，其表面能可至380達(dá)因/公分，若將二者焊在一起時(shí)沾錫性將非常良好o然而若將新鮮潔淨(jìng)的銅面放在至空氣2小時(shí)後，其表面能將會(huì)遽降到25達(dá)因/公分，與380相減

11、不但是負(fù)值，而去甚遠(yuǎn)，焊錫自然不會(huì)好。因此必須要靠強(qiáng)力的助焊劑除去銅面的氧化物，使之活化及再提高表面能，並超過(guò)銲錫的表面能時(shí)，才會(huì)有良好沾鍚的表現(xiàn).??-phase的沾錫性較錫或錫鉛為小. 銅錫合金介在物生成氧化層時(shí)會(huì)明顯的降低沾錫性(即使厚度僅有1.5nm都會(huì)).假如氧化層的厚度增加時(shí)沾錫所需的時(shí)間大大地增長(zhǎng).,Cu-Sn介面合金共化物的生成(1),當(dāng)融態(tài)的銲錫落在清潔的銅面上時(shí),立即發(fā)生沾錫的焊接動(dòng)作立即會(huì)有錫原子擴(kuò)散到銅層中，而

12、銅原子也在瞬間同時(shí)擴(kuò)散進(jìn)二者在交界面上形成Cu6Sn5的IMC,稱為?-phase,此種新生化合物中含錫之重量比約占60%.在長(zhǎng)時(shí)間老化過(guò)程中, ?-phase IMC 與銅底材之間,會(huì)因銅量不斷滲入Cu6Sn5中而漸使其組成改變?yōu)镃u3Sn 的?相,其中的銅量由早先Cu6Sn5的40%增加到Cu3Sn 的66%. 此種老化劣化之現(xiàn)象,隨著時(shí)間及溫度而加劇,而溫度的影響尤其更烈. Cu3Sn 的表面能只有Cu6Sn5的一半,因而Cu

13、3Sn 是一種對(duì)焊錫性有妨礙的IMC.?-phase Cu6Sn5是良好焊錫性的表徵,若無(wú)該Cu6Sn5存在則焊錫只是在縮錫的狀態(tài)下暫時(shí)冷卻固化在銅面上而已,稱為冷焊(cold soldering).,Cu-Sn介面合金共化物的生成(2),Cu-Sn介面合金共化物的生成(3),錫銅合金的?-phase Cu3Sn呈柱狀結(jié)晶,而?-phase Cu6Sn5卻是一種球狀組織,不過(guò)兩者的硬度皆在500微硬度左右,其性質(zhì)比較如下表所示:,錫

14、銅 IMC 的 老 化 (1),?-phase Cu6Sn5會(huì)因銅不斷侵入而逐漸劣化,成為不良的?-phase Cu3Sn. 此兩種IMC所構(gòu)成的總厚度將因溫度上升而加速長(zhǎng)厚,且與時(shí)俱增. 下表為各種狀況所測(cè)得總IMC厚度,凡總IMC厚度愈厚者,對(duì)以後再進(jìn)行焊接時(shí)之焊錫性也愈差.,錫 銅 IMC 的 老 化 (2),?: 銅底材 ?: ?-phase Cu6Sn5 ?: 銲鍚 ?: Pb ? ?-phase Cu3Sn(a)最初狀態(tài):

15、 當(dāng)銲鍚著落在清潔的銅面上立即有?-phase Cu6Sn5的化合物生成，即圖中之?部份.(b)鍚份滲耗期﹕銲錫層中的鍚份會(huì)不斷的流失而滲向IMC組成新的Cu6Sn5 (圖中之?部份)，而銅也會(huì)繼續(xù)滲向原有Cu6Sn5而使其變成新的?-phase Cu3Sn，即圖中?，此時(shí)銲錫層中的鍚量減少，使得鉛量在比例上有所增加，此時(shí)將會(huì)發(fā)生縮鍚.(c)多鉛之阻絕層:當(dāng)銲鍚層中的鍚份不斷滲走組成更厚的IMC時(shí)，使得本身的含鉛比例增加，最後

16、終於阻絕了鉛的滲移.(d)IMC的暴露﹕由於鍚份的流失，造成銲鍚層的鬆散常會(huì)露出IMC底層，而終致不沾鍚.,Ni-Sn介面合金共化物,黃銅中含有鋅,對(duì)於焊錫性會(huì)有很大的妨礙,故必須先鍍鎳當(dāng)成Barrier層,才能完成焊接的任務(wù),但錫與鎳之間仍會(huì)出現(xiàn)IMC,也將對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度有不良的影響.在一般常溫下錫與鎳所生成的IMC,其生長(zhǎng)速度與錫銅IMC相差有限.但在高溫下卻比錫銅合要慢的多,而當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí),其IMC的外觀及組成也各不相同.此種

17、脆性的IMC接近鎳面者其分子式為Ni3Sn4,接近錫面者則甚為分歧難以找出通式,一般以NiSn3為代表,後者生長(zhǎng)的速度約為前者的三倍.又因在空氣非常容易鈍化(Passivation),對(duì)焊錫性也會(huì)出現(xiàn)極其不利的影響故一般在鎳外表還要鍍一層純錫,以提高銲錫性.,Au-Sn介面合金共化物,由錫金二元相圖可知, 錫和金之間會(huì)生成包括AuSn,AuSn2,AuSn4之IMC.它們之間生成IMC的速度非常快,在150?C置放300小時(shí)以後所有IM