电镀用合金精选文档.ppt

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1、电镀用合金本讲稿第一页，共十六页Pb-Sn 合合 金金一般共融合金的熔點(melting point)常落在一點上而不同於其他組成.當呈現軟化時,其熔點會呈現在一段溫度範圍中.愈接近共融組成的合金,其溫度熔點愈窄,非共融之合金,其熔點範圍較大,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,熔點最低.後者僅用於錫膏或焊錫絲中,對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.本讲稿第二页，共十六页雜質對錫鉛

2、合金的影響雜質對錫鉛合金的影響A.銻（Sb）銻含量在0.5%以內時對錫鉛焊錫不會產生明顯的影響,但含量在1.0%時就會減少散佈面積的25%並減緩沾錫的速度.小量的銻含量反而有益,因為它會和鋁形成金屬介在物而減輕鋁的污染.添加銻至Sn60-Pb40會提高其拉伸強度及疲勞強度.B.銅（Cu）如果銅含量超過0.2%時就會增加架橋(bridging)的可能性,因為在冷卻過中多餘的銅會和錫產生針狀的Cu6Sn5之金屬介在物增加焊錫之黏滯性,進而產生架橋現象,並且會產生砂礫狀表面.C.金(Au)和銀(Ag)在250C時銀在Sn60-Pb40的溶解度大約為5%.如果銀的溶解度低於2%時對於銲接的特性不會有明

3、顯的影響,但溶解度高於2%時表面會因金屬介在物產生而呈砂礫狀.當金的含量在0.5%以下時,對銲接沒有影響,不過當含量超過4%時,焊錫合金在承受外力時會發生脆性斷裂.D.鋁(Al),鋅(Zn)和鎘(Cd)添加鋁,鋅和鎘會在合金產生一層薄而強韌的氧化膜使得銲接變為不可能.這些合金的容許含量很低,大約為0.005%.本讲稿第三页，共十六页鴻海使用之錫鉛合金鴻海使用之錫鉛合金本讲稿第四页，共十六页錫錫 鉛鉛 金金 屬屬 介介 在在 物物合金(或稱銲錫Solder)在高溫下和銅、鎳、金、銀等底材反應,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、及擴散，而在冷卻固化之

4、後立即出現一層薄薄的共化物,且還會逐漸增厚.此類物質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.這種由銲錫與其底金屬介面之間所形成的各種共合物,統稱intermetallic compound簡稱IMC.本讲稿第五页，共十六页錫錫 鉛鉛 金金 屬屬 介介 在在 物物 之之 特特 性性 (1)(1)IMC是一種化合物和原來的金屬之性質不同,對整個焊點強度也有不同程度的影響.a.在高溫焊接或重熔時才會生成，有一定的組成及晶體結構，生長速度與溫度成正比。.直到出現阻絕層(Barrier)才會停止.b.常具有不良的脆性，會損及焊點的機械強度及壽命，其中尤其對疲勞強度

5、(Fatigue Strength)為害最烈,且其熔點也很高.c.由於銲錫在介面附近的鍚原子會逐漸移走，而與底金屬組成IMC錫量減少，使得該處的錫量減少，相對的使得鉛量之比例增加，以致使焊點展性增大(Ductility)及固強度降低，久之甚至帶來整個焊錫層的鬆馳.本讲稿第六页，共十六页錫錫 鉛鉛 金金 屬屬 介介 在在 物物 之之 特特 性性 (2)(2)d.一旦焊墊上原有的熔鍚層或噴錫層，其與底銅之間已出現較厚的IMC後，對該焊墊以後再續作焊接時會有很大的妨礙也就是在焊錫性(Solderability)或沾錫性(Wettability)上都將出現出劣化的惰形.e.焊錫中由於錫銅結晶或錫銀結晶

6、的沉澱，使得焊錫本身的硬度也隨之增加，久之會有脆化的麻煩。f.IMC會隨時間老化而逐漸增厚，通常其已生長的厚度，與時間大約形成拋物線.本讲稿第七页，共十六页Cu-SnCu-Sn介面合金共化物的生成介面合金共化物的生成當融態的銲錫落在清潔的銅面上時,立即發生沾錫的焊接動作立即會有錫原子擴散到銅層中，而銅原子也在瞬間同時擴散進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%.在長時間老化過程中,-phase IMC 與銅底材之間,會因銅量不斷滲入Cu6Sn5中而漸使其組成改變為Cu3Sn 的相,其中的銅量由早先Cu6Sn5的40%增加到Cu3Sn 的

7、66%.此種老化劣化之現象,隨著時間及溫度而加劇,而溫度的影響尤其更烈.Cu3Sn 的表面能只有Cu6Sn5的一半,因而Cu3Sn 是一種對焊錫性有妨礙的IMC.-phase Cu6Sn5是良好焊錫性的表徵,若無該Cu6Sn5存在則焊錫只是在縮錫的狀態下暫時冷卻固化在銅面上而已,稱為冷焊(cold soldering).本讲稿第八页，共十六页焊 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，則其沾錫性非常好，否則沾錫性變差.當底金屬面之表面能減去焊錫之表面能而得到負值時，就會出現縮錫(Dewetting)，負值愈大則焊錫愈差

8、，甚至造成不沾錫現象(Non-Wetting).新鮮的銅面在真空中的“表面能”可達1265達因/公分，63/37的焊錫加熟到融點(Eutectic Point 183C）並在助焊劑的協助下，其表面能可至380達因/公分，若將二者焊在一起時沾錫性將非常良好o然而若將新鮮潔淨的銅面放在至空氣2小時後，其表面能將會遽降到25達因/公分，與380相減不但是負值，而去甚遠，焊錫自然不會好。因此必須要靠強力的助焊劑除去銅面的氧化物，使之活化及再提高表面能，並超過銲錫的表面能時，才會有良好沾鍚的表現.-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會明顯的降低沾錫性(即使厚度僅有1.5nm都會

9、).假如氧化層的厚度增加時沾錫所需的時間大大地增長.本讲稿第九页，共十六页Cu-SnCu-Sn介面合金共化物的生成介面合金共化物的生成(1)(1)當融態的銲錫落在清潔的銅面上時,立即發生沾錫的焊接動作立即會有錫原子擴散到銅層中，而銅原子也在瞬間同時擴散進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%.在長時間老化過程中,-phase IMC 與銅底材之間,會因銅量不斷滲入Cu6Sn5中而漸使其組成改變為Cu3Sn 的相,其中的銅量由早先Cu6Sn5的40%增加到Cu3Sn 的66%.此種老化劣化之現象,隨著時間及溫度而加劇,而溫度的影響尤其更烈

10、.Cu3Sn 的表面能只有Cu6Sn5的一半,因而Cu3Sn 是一種對焊錫性有妨礙的IMC.-phase Cu6Sn5是良好焊錫性的表徵,若無該Cu6Sn5存在則焊錫只是在縮錫的狀態下暫時冷卻固化在銅面上而已,稱為冷焊(cold soldering).本讲稿第十页，共十六页Cu-SnCu-Sn介面合金共化物的生成介面合金共化物的生成(2)(2)本讲稿第十一页，共十六页Cu-SnCu-Sn介面合金共化物的生成介面合金共化物的生成(3)(3)錫銅合金的-phase Cu3Sn呈柱狀結晶,而-phase Cu6Sn5卻是一種球狀組織,不過兩者的硬度皆在500微硬度左右,其性質比較如下表所示:本讲稿第

11、十二页，共十六页錫錫 銅銅 IMC IMC 的的 老老 化化 (1)(1)-phase Cu6Sn5會因銅不斷侵入而逐漸劣化,成為不良的-phase Cu3Sn.此兩種IMC所構成的總厚度將因溫度上升而加速長厚,且與時俱增.下表為各種狀況所測得總IMC厚度,凡總IMC厚度愈厚者,對以後再進行焊接時之焊錫性也愈差.本讲稿第十三页，共十六页錫錫 銅銅 IMC IMC 的的 老老 化化 (2)(2):銅底材:-phase Cu6Sn5:銲鍚:Pb -phase Cu3Sn(a)最初狀態:當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

12、會不斷的流失而滲向IMC組成新的Cu6Sn5(圖中之部份)，而銅也會繼續滲向原有Cu6Sn5而使其變成新的-phase Cu3Sn，即圖中，此時銲錫層中的鍚量減少，使得鉛量在比例上有所增加，此時將會發生縮鍚.(c)多鉛之阻絕層:當銲鍚層中的鍚份不斷滲走組成更厚的IMC時，使得本身的含鉛比例增加，最後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露出IMC底層，而終致不沾鍚.本讲稿第十四页，共十六页Ni-SnNi-Sn介面合金共化物介面合金共化物黃銅中含有鋅,對於焊錫性會有很大的妨礙,故必須先鍍鎳當成Barrier層,才能完成焊接的任務,但錫與鎳之間仍會出現IMC,也

13、將對焊點強度有不良的影響.在一般常溫下錫與鎳所生成的IMC,其生長速度與錫銅IMC相差有限.但在高溫下卻比錫銅合要慢的多,而當環境溫度不同時,其IMC的外觀及組成也各不相同.此種脆性的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,後者生長的速度約為前者的三倍.又因在空氣非常容易鈍化(Passivation),對焊錫性也會出現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.本讲稿第十五页，共十六页Au-SnAu-Sn介面合金共化物介面合金共化物由錫金二元相圖可知,錫和金之間會生成包括AuSn,AuSn2,AuSn4之IMC.它們之間生成IMC的速度非常快,在150C置放300小時以後所有IMC均已形成.本讲稿第十六页，共十六页