一、回焊曲線管理淮則

曾有電路板廠家研究無鉛回焊者，採DE實驗計劃法對多種情況進行實做研究，并歸納出四種簡易的淮則(Metrics)，可做為無鉛回焊量產(chǎn)管理的借鏡?，F(xiàn)以SAC305焊料，輸送速率0.9 m／min，板面△T在4℃以內(nèi)，峰溫245℃，所用連線機條日則以9熱3冶者為例，說明其細節(jié)原委于后。

（1）第一準則

是指峰溫(Tp)針對10倍板面溫差(△T)，其兩者的比值應(yīng)大于2.2℃。此淮則是考驗回焊爐軟體與硬體的本領(lǐng)如何?本領(lǐng)高強者其各段熱風不但反應(yīng)靈敏，而且瞬間局部之熱傳效率很高’使得待焊板面之溫差(△T)得以縮小。品質(zhì)良好的回焊機，即使面對大板多件而言，其全板最熱與最冷間之△T也應(yīng)保持在15℃以內(nèi)。一旦△T超過25℃0者，即表該品牌的回焊機將會發(fā)生問題。因而此經(jīng)驗公式在避免拉高Tp ，但卻刻意壓低△T之下，二者的比値即可良性的變大。也就是說比値愈大者，其回焊爐本身的品質(zhì)也越好，起碼經(jīng)驗比値應(yīng)在2.2以上才行。

表1、板面六個測溫點分別取得第一淮則之評分

(2）第二淮則

此淮則是著重在熔融錫膏之液態(tài)歷時須愈短愈好〈TAL代表加工技術(shù)的優(yōu)劣），并同時就前一淮則過度強調(diào)△T （代表機器的能耐如何）者亦有所修正。也就是說△T與TAL兩者都很重要，最好是兩者都不宜太大，換言之機器的能耐與加工技術(shù)兩者均須兼顧之意。

表2、六個測點所得第二淮則之評分。

(3)第三淮則

此淮則可用以量測回焊爐的加熱效率，簡單的說就是倒底需要多久時間才能到達峰溫，是著眼于產(chǎn)能與產(chǎn)量的提昇。此經(jīng)驗公式系以峰溫針對總共加熱時間兩者的比値，至少要大于0.6才較妥當。

表3、六個測點在第三淮則之評分。

（4）第四淮則

與第二淮則頗為類似，是說明板面上呈現(xiàn)較熱的元件或較熱之區(qū)域者， 例如小件〈電阻器、電容器等）腳墊之錫膏會率先到達峰溫（Tp），故所經(jīng)歷的TAL當然會比大件〈BGA）引腳錫膏來的更久一些。是故對小件者而言，其Tp/TAL之比値應(yīng)使之大于3.5 (暗指TAL不可太久）；對大件者則其比値不宜超過8.3 (暗指TAL不可太短）才較妥當。且此淮則也可考驗回焊爐的機動性是否夠靈活。

圖1、左圖說明無鉛焊接當其TAL秒數(shù)已固定，一旦峰溫超過245℃或250℃時，將會危害到板面組裝的大件與小件。

右圖說明有鉛焊接的作業(yè)范圍比起無鉛焊接更為寬廣更為安全的示意圖。

二、冷卻速率的影響

(1)微結(jié)構(gòu)方面的差異

電路板回焊製程錫膏癒合冷卻成為焊點的經(jīng)歷中，熱量充足展現(xiàn)良好焊錫性者，焊料與焊墊以及零件腳之介面間當然已完成IMC的生長?，F(xiàn)刻意選擇自242℃的峰溫冷卻下滑到200℃之一段曲線，取其兩點間斜率之緩急定義為 “冷卻速率”(Cooling Rate)。于是冷卻較快而馀熱較少者(例如一2.5℃／sec)，其IMC生長的時間被逼短，因而厚度上較薄(有鉛快冶IMC厚度平均為1.5μm，但無鉛快冶者其厚度竟達3.8μm)。反之，冷卻較慢馀熱仍多者。 (例如0.5℃／sec)，其IMC自然變得較厚，而且部份還會脫離介面逸往液態(tài)焊料中形成枝狀(Dendrite)IMC。介面常見者如Cu6S n5，Ni3Sn4，Ag3Sn，AuSn，AuSn2，AuSn4等IMC結(jié)構(gòu)也都與冷卻速率有關(guān)。

圖2、此二圖均為焊點介面之微切片SEM畫面，當回焊曲線之TAL歷時較短者，

其Cu6Sn5之頂IMC厚度較薄，當TAL較久時則IMC會明顯的厚。

(2)對完工強度的影響

冷卻速率的快慢還會改變TA L與△T等數(shù)據(jù)，慢冶使得TA L變久進而會使IM C長的較厚?？炖湔邊s讓板面溫差(△T)拉大，致使最熱點與最冷點的厚度也出現(xiàn)厚薄的差異。除了冷卻快慢之外，表面處理的種類也會對焊點強度(Joint Strength)造成影響。研究者曾對0SP墊面處理者做過剪力強度(Shear Strength)試驗，發(fā)現(xiàn)快冶者要比慢冶者更好。不過快冶焊點除了前述空洞較多外，其殘存的內(nèi)應(yīng)力也較大，此乃由于不同材料熱脹系數(shù)(CTE)各異所導致的結(jié)果。然而于各種優(yōu)劣比較下，仍以快冶者優(yōu)勢居多。以BGA為例，在各種不同條件所焊妥之焊點，可採推錫球的方式，檢測其強度如何，甚至還可比較出老化后強度變?nèi)醯母鞣N不同現(xiàn)象。下表所列者即為快冶與慢冷在兩種曲線上各項數(shù)據(jù)的變化。

圖3、此為檢查焊點強度之簡單型側(cè)推剪力法，可從所取得之剪力大小、斷裂位置輿斷面情形得知其強度如何。

表4、無鉛回焊在快冷與慢冷降溫中對TAI與△T板面的影響。

（3)對老化強覆的影警

OSP墊面有鉛回焊快冶者，其IMC平均約1.5μm，慢冷者反應(yīng)時間較長因而IMC也會長厚到2.1μm。但SAC回焊雖快冷者(一2.5℃／sec)其總體的反應(yīng)熱能仍比有鉛慢冶者高出許多，因而其IMC竟長厚到3．8μm 。若刻意在l25℃中老化500小時后，仍可發(fā)現(xiàn)SAC要比 T／L長的更厚。并已有許多Cu6Sn3脫離介面遷移到焊料主體中去，如此不但會危及介面，而且也使得主體的微結(jié)構(gòu)變得更加粗糙不均，后續(xù)之疲勞壽命也為之劣化。

圖4、左為有鉛焊點其IMC生長受到冷卻速率輿老化時間的影響，而在IMC厚度方面產(chǎn)生變化的情形，

右為無鉛焊點老化后在工MC厚度變化方面的比較。

圖5、左圖為所見無鉛焊接快冷(一2.5℃／sec)中的IMC生長情形，中為同一樣板經(jīng)老化500小時的IMC變厚情形，

右為老化1000小時后其IMC不但很厚，而且還脫離介面移入主體焊料之精采畫面。

從長期老化IMC繼續(xù)變厚與微結(jié)構(gòu)(Microstructure)是否夠均質(zhì)的觀點看來’其快冷者的壽命確實要比慢冶者來的更長更好’不過快冶者有機物解所形成的氣體’其逃出焊點的機會也將為之大減。因而殘存在內(nèi)的空洞(Void)當然也就會增多了。

三、多層板板耐強熱性之預(yù)測

無鉛焊接的強大熱量對PCB的板材絕對會帶來嚴重的傷害，而回焊之衝擊力道又還超過波焊甚多。就PCB本身而言’大板厚板受到的內(nèi)傷又遠甚于小板薄板。災(zāi)難重重的厚板中’層數(shù)多銅箔厚者又比一般多層板者還更妻慘。為事先明瞭P C B是否能耐得所採用的回焊曲線而不致爆板起見，美商曾試行過一種空板考  。試用的Profile’刻意經(jīng)過5次試焊后再目檢空板是否起泡或爆板，即可知道其耐 強熱的體質(zhì)如何了。

在動態(tài)測溫儀(Profiler)之后隨下，分別在板面前緣、板中央’以及末端三處位置’事先焊上三個熱偶測點，然后按照上列有鞍式回流曲線與表列之操作參數(shù)’將考試板送入迴焊爐’并連續(xù)經(jīng)過5次共約2 5分鐘的強熱考驗后’再檢查PCB是否出現(xiàn)耐熱不良的缺點。

圖6、左圖為電路板廠商針對無鉛焊接空板考試用的回焊曲線，

右為板面感測熱偶線焊牢的三個位置，下頁附表則為各項實做參數(shù)之整理。

考試板一共要經(jīng)過5次試焊，不可出現(xiàn)任何爆板與起泡等缺點時，該空板才算及格。

表6、進料空扳熱風無鉛回焊考試之參數(shù)

四、採用N2加熱的好處

回焊爐使用N2時’可防止錫膏中的錫粉、引腳表面、板子墊面等再次氧化的煩惱’助焊劑的活性也可不必那么強’焊錫性與可靠度均將改善極多。尤其是0 S P處理的焊墊’氮氣在多次回焊中更已成為不可或缺的重要角色’即使第五代的OSP也還需要N2的大力協(xié)助。缺點是成本增加(每小時用量1 0—2 0 m 3)’小型被動元件 (如0 4 0 2’0 2 0 1等)容易發(fā)生立碑 (Tombstoning)需小心預(yù)防。所選購的回焊爐最好是空氣與N2都能使用’其機動性才更好。

圖7、此為高溫氮氣回焊爐的掀開晝面，可見到其熱量分別來自熱風與紅外線，操作殘氧濃度只需1500ppm以下即可。

圖8、左上圖為沾錫角  (Wetting Angle或稱Contact Angle)的截面圖，

左下為熱風回焊與熱氮氣回焊在空洞方面的優(yōu)劣比較。右表為各種情況下沾錫角太小的比較。

當回焊採用N2時(殘氧濃度1 500 p p m以下)焊點品質(zhì)方面可獲得多項好處，如減少空洞(Voiding)、助焊劑殘渣大減、代表焊錫性之沾錫角(Wetting Angle)也可減??；其主要原因是N2可降低焊料零件腳與OS P遭到的氧化反應(yīng)，可大大增加向外擴展的附著力。有人研究過在氮氣中回焊，即使峰溫下降1 0℃，其品質(zhì)也與原溫空氣回焊者品質(zhì)相當。

氮氣在波焊中的消耗量約在80—1201／min之間，當板子焊墊採OSP之表面處理時，最好使用氮氣以減少底銅面的氧化作用’進而改善其焊錫性。在無氧化反應(yīng)的威脅下’助焊劑必須加強的壓力也可減緩，殘渣也自然為之減少。

圖9、左為協(xié)益電子公司採用日商古河電工的無鉛回焊爐的生產(chǎn)線，

右為相同無鉛錫膏在OSP皮膜上，所得不同散錫性的比較圖。

電路板無鉛回焊採用的立即效應(yīng)，是焊點外觀平滑漂亮、板材不易變黃、散錫性較好、密墊間搭橋短路減少、沾錫時間變短、沾錫力量增大、對免洗助焊劑更是十分有利。事實上難度較高的板類，確實應(yīng)採用N2幫忙才行。

圖10、此為日商古河電工之大型無鉛氮氣回焊爐12熱3冷之XNK-1245PT機組，長6.3m、重2.7噸，

內(nèi)裝隔膜式氮氣產(chǎn)生機，最低殘氧率可達500ppm，可供大型板之快速量產(chǎn)用途。