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无铅焊锡技术专文
无铅焊锡(lead-free solder)已经是必然的趋势，但选择无铅焊锡的系统并不容易，除了元件本身生产的考量外，最难的是和电路板上锡膏的相容性，尤其在目前有铅与无铅混用的过渡期，问题更是层出不穷，其实症结点就在材料的熔点上。
以目前使用者常用的含铅锡膏(Sn63Pb37)而言，熔点为183℃，而以往元件电极的锡铅比多控制在Sn85Pb15或Sn90 Pb10左右，此范围之合金熔点都在200℃左右，因此，目前业界常使用之215℃ ~ 220℃的回焊(reflow)温度已足够使锡膏及元件之合金均成为液态而融合在一起，但如果元件的表面是使用纯锡的系统，锡的熔点为232℃，则回焊的过程中，元件表面没有熔化，熔化的锡膏只能靠表面张力与元件结合，此种固体与液体的结合，远不及液体与液体的结合，往往造成所谓“爬锡高度不足的“ 的缺陷。这个问题亦造成元件厂商迟迟不敢全面导入无铅的系统。
不能将回焊温度提高，主要原因是必须考虑电路板上其他元件的耐温特性，如主动元件的封装外壳、连接器及电解电容等，都是不耐高温的元件。因此目前含铅焊锡的回焊温度才会维持在目前215℃ ~ 220℃左右。
但这些元件的特性终究也必须改进，因为目前已经被国际电子制作协会(NEMI)建议之“工业标准“无铅锡膏的合金系统有两种:
(1)Sn3.9 Ag0.6 Cu(±0.2%)，适合回焊制程，熔点约在217 ~ 218℃之间，建议回焊温度为238 ~ 248℃。 (2)Sn0.7Cu，适合波焊(wave solder)，制程熔点为227℃，波焊温度245 ~ 255℃。
此两种系统的制程温度都高于纯锡的熔点，因此，未来真正导入无铅化制程后，纯锡系统的元件才能顺利运作。 对元件电镀制程而，纯锡是最单纯操作的系统，但为了解决目前有铅与无铅锡膏并存的过渡时期，必须再选择另一种无铅的合金系统，下表是目前常被考虑之焊锡合金系统：
表一 无铅焊锡合金系统性性比较表
锡
锡-铋
锡-铜
锡-银
润温性
＋
＋
＋/－
＋
延性
＋
－
－
耐蚀性
＋
＋
＋
抵抗锡须能力
＋/－
＋
－
成本
＋
－
－
－
量产性
＋ ＋
＋
＋
－ －
相容性
＋
＋/－
＋
＋
＋＋：非常好、 ＋：好、 ＋/－：普通、 空白：没有资料
在这些系统中，锡-铋是日本常用的系统，而欧、美则倾向纯锡系统。纯锡的特性相较表中其他合金是比较好的系统，但有研究发现，纯锡对蒸汽老化测试(steam aging) 最敏感，润湿性衰减最快，也就是说氧化最快，这可能会造成储存期限的下降。
锡-银系统成本太高，制程难控制，未来几年内尚无有效解决方案。
锡-铜系统主要是采用(Sn0.7 Cu)这个成份的低温相，但此成份很难监控(特别是底材也是铜)，且很容易产生锡须，虽然将铜成份提高至2-3%可以有效抑制锡须， 但制程及成份不易掌控将使锡铜系统在短期内尚无法普遍被接受。
锡-铋系统最早在日本导入，铋是周期表中最靠近铅的元素，因此锡-铋合金也有类似锡-铅合金的特性，铋含量愈高，熔点也愈低，日本曾发展出铋含量高达10% 的合金系统(熔点接近Sn63Pb37 的163℃)，但因为机械性质太脆，因此将铋含量 降3%，Sn-3%Bi 有良好的焊锡性及抵抗锡须的能力，因此日本厂商已广为接受， 但欧美厂商对此系统之资料所知有限，接受度并不高。
欧美厂商排斥锡-铋合金的另一个原因在于锡-铋遇到铅可能形成锡-铋-铅三相合金，而这种合金可能会有一个96℃的低温相形成，在高低温循环的环境下有机械性质降低的疑虑，因此，仍倾向纯锡。
综合上述之资料可以了解，铋的添加可以降低熔点，且锡-铋系统已经过日本实际应用。为解决目前有铅无铅交接期的纯锡熔点过高之问题，锡-铋是比较适合的选择。
以长远的角度而言，纯锡应该是最终的用系统，特别是以资源再利用的绿色产品的角度来说。但在短期有铅及无铅交替的过渡时期，锡-铋还是广为接受的合金系统。
对于锡-铋的电镀制程而言，制程控制必须注意的要点如下：
(a) 锡铋合金的铋含量会随电镀电流密度降低而增加。
(b) 当电流降为零时铋会黏附在在阳极表面，可以用自动添加系统来解决。
(c) 镍厚度可再降低至 3um 以下。
(d) 电镀锡晶粒大小会影响锡须的生成，晶粒愈大，锡须愈少。研究发现5.2μm Sn+0.18μmNi 底层，几乎没有锡须发生。而其他研究也指出，只要有镍当底层降低电镀锡所受的应力，锡须是可以有效亦制的，至于镍的厚度可参照IBM 的要求。作者：庄弘毅
瑷司柏电子股份有限公司总经理