一、功在焊接的鉛金屬
    電路板制作低溫柔軟的焊接，一向都是以共熔(或共晶)組成的錫鉛合金(S n 6 3／Pb 3 7)為主。不但品質(zhì)良好，操作方便，可靠度優(yōu)異，而且還技術(shù)成熟，供應(yīng)無缺，價(jià)格低廉，這些都要?dú)w功于鉛的參與。其唯一致命的缺點(diǎn)就是對(duì)人體有毒有害，如今環(huán)保掛帥必去鉛而后快之情勢下，不但貢現(xiàn)各種無鉛焊料的成績均遠(yuǎn)遜于有鉛者，且至今尚無任何取代品可以匹敵的棟梁之材行將永別時(shí)，才忽然想到【鉛】究竟是何方神圣?又倒底何德何能?竟有如此出卓越的表現(xiàn)?以下即歸納出一些鉛在焊接中的重要功能讓您瞭解：
此為各種比例錫鉛合金的均質(zhì)結(jié)構(gòu)

    圖1、此為各種比例錫鉛合金的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，在SEM掃瞄下雖可見到白色部份為多鉛區(qū)，黑色部份為多錫區(qū)，但卻未出現(xiàn)任何粗糙的Dendrite組織。
A圖為無鉛球腳與無鉛錫膏所形成的eta-IMC之球體結(jié)構(gòu),上B圖為有鉛

    圖2、上A圖為無鉛球腳與無鉛錫膏所形成的eta-IMC之球體結(jié)構(gòu)；上B圖為有鉛球腳與有鉛錫膏所形成相同eta-IMC結(jié)構(gòu)，最多只有多鉛區(qū)〈白色）與多錫區(qū)〈灰色） 之差別而已。
    A．鉛可與錫以任何比例很容易熔融組成均質(zhì)的合金，彼此間不會(huì)生成格格不入的D e n dr i t e SIMC，頂多只是區(qū)分成多鉛區(qū)(Lead Rich area)微蝕后呈一色區(qū)，其含鉛量50-70％wt之間)，或多錫區(qū)(Tin Rich area微蝕后呈黑色區(qū)，含錫量5 5-80％wt)。鉛是眾多余屬中唯一能與錫密切合作之金屬。
    B．鉛比錫便宜1 1倍，可降低焊料的成本。且有鉛時(shí)其固C u溶入液S n的速度會(huì)減緩，可減少焊點(diǎn)中枝啞狀I(lǐng)MC的出現(xiàn)，在十分均質(zhì)中提高焊接強(qiáng)度。
    C．鉛熔點(diǎn)為3 2 2℃，錫熔點(diǎn)為2 3 1℃，合金后熔點(diǎn)下降，共晶組成S n 6 3／P b 3 7之m．p．僅只1 8 3℃，不致傷害電子零件與電路板。
    D．加鉛超過2 O％后即不再長出錫須，且錫鉛電鍍之各種配方均極成熟，對(duì)零件腳與P C B的電鍍都非常方便。當(dāng)然錫鉛皮膜或焊點(diǎn)也都不會(huì)長須。
    E．鉛錫合金S n 6 3表面張力較小(3 8 0 dyn e／2 6 0℃，即內(nèi)聚較小)，耗熱量低容易沾錫，沾錫時(shí)間很短(平均0.7秒)，接觸角很小。至于無鉛最有希望成為主流的SAC305，其表面張力高達(dá)460 dyn e／260℃，沾錫時(shí)間長達(dá)1.2秒，接觸角4 3-4 4° ，在散錫不易下焊墊經(jīng)常露銅。
    F．鉛錫合金甚為柔軟，固化后結(jié)構(gòu)細(xì)膩組織均勻而不易開裂。SAC305固化后質(zhì)地很硬(B a 1l S h e ar Te S t的假性高讀值，經(jīng)常會(huì)造成無鉛比有鉛更好的誤導(dǎo)，且非均質(zhì)之結(jié)構(gòu)粗糙容易開裂。
    二、SMT加工的錫銀銅無鉛焊料的IMC
    以SAC305而言(3.0％Ag，0 .5％C u其余為S n，簡稱SAC305)，其配製時(shí)各成份要達(dá)到均勻分佈將十分困難，因而要做到整體均質(zhì)的共晶組成幾乎不可能。無法達(dá)到像Sn63／Pb37那樣在升降溫過程中，不必通過任何漿態(tài)(Pasty State)，而直接往返于液化或固化之間，其結(jié)構(gòu)幾可達(dá)無明顯枝晶(Dendrites)的均質(zhì)境界。
    SAC305在冷卻中，一開始會(huì)有局部純錫率先固化，在大體中分散組成枝椏狀的架體，其他剩馀液料在各個(gè)空架子中繼續(xù)冷卻固化時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)體積減少的收縮情形，進(jìn)而形成微裂的收口 （一塊銲料最后冷卻的外表中心部份）。一旦輸送過程中發(fā)生震動(dòng)時(shí)，其各種微裂還可能再擴(kuò)大，致使強(qiáng)度變差。除非經(jīng)SAC305之焊后能夠加快速冷卻速度(例如5-6℃／SeC)，在減少枝架出現(xiàn)而較均質(zhì)下，其整體結(jié)構(gòu)將會(huì)變得比較細(xì)膩。
無鉛焊接中非均質(zhì)的焊料合金很難達(dá)到共熔的理想境界

    圖3、非均質(zhì)的焊料合金很難達(dá)到，，共熔”(Eutectic)的理想境界，因而其固化過程中會(huì)出現(xiàn)“漿態(tài)”(Pasty)，也就是暫時(shí)會(huì)有固相(Dendrite)與液相共存的過渡期。直到全體固化完成時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)較多且脆弱不安定的疆界。
電路板焊接中的微裂現(xiàn)象

    圖4、—般非均質(zhì)的銲料，其冷卻過程的漿態(tài)中，首先會(huì)出現(xiàn)固相的Dendrite枝架與尚待冷卻的液相，而此剩馀液相在后續(xù)固化中會(huì)發(fā)生體積收縮而呈微裂現(xiàn)象。
    錫的熔點(diǎn)是231℃、銀為961℃、銅為1083℃、SAC305的mp僅217℃。故知所加的3％銀與0．5％銅，已達(dá)到降低合金熔點(diǎn)的效應(yīng)。其中加A g后還可增加焊點(diǎn)的硬度與強(qiáng)度，不過也會(huì)在焊點(diǎn)中迅速形成A g3S n的長條狀I(lǐng)MC，對(duì)長期可靠度將有不良影響。加銅后還另有減少額外銅份滲入的好處。波焊用的無鉛銲料中，一旦銅量超過重量比1.0%時(shí)，銲點(diǎn)內(nèi)部與表面會(huì)常出現(xiàn)針狀結(jié)晶。不但強(qiáng)度降低，且針體太長時(shí)還將有短路的麻煩。
    波焊電路板加工，不管是SAC或錫銅合金〈99.3Sn 、0.7Cu〉，都很容易遭到銅份過量的污染。一般解困的做法是在補(bǔ)充添加時(shí)，只加錫或錫銀，而不再加銅； 但如何完善的管理流程，則仍需相當(dāng)多的實(shí)做經(jīng)驗(yàn)。
有鉛波焊的銅污染太高時(shí)不均質(zhì)的待焊面，對(duì)于后績銲點(diǎn)強(qiáng)度會(huì)有不利的影響

    圖5、當(dāng)有鉛波焊的銅污染太高時(shí)，PCB廠在孔環(huán)焊墊噴錫皮膜中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)針狀六銅五錫的Dendrite IMC，此種不均質(zhì)的待焊面，對(duì)于后績銲點(diǎn)強(qiáng)度會(huì)有不利的影響。
無鉛波焊中，由于銅污染太高經(jīng)常會(huì)造成搭橋與冰山尖的后患

    圖6、此二圖均為ASC無鉛波焊中，由于銅污染太高，而在錫池中形成針狀I(lǐng)MC，又經(jīng)泵浦打回波峰以致呈現(xiàn)在銲點(diǎn)上。此種缺點(diǎn)經(jīng)常會(huì)造成搭橋與冰山尖的后患。