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無鉛焊錫技術專文
無鉛焊錫(lead-free solder)已經是必然的趨勢，但選擇無鉛焊錫的系統並不容易，除了元件本身生產的考量外，最難的是和電路板上錫膏的相容性，尤其在目前有鉛與無鉛混用的過渡期，問題更是層出不窮，其實癥結點就在材料的熔點上。
以目前使用者常用的含鉛錫膏(Sn63Pb37)而言，熔點為183℃，而以往元件電極的錫鉛比多控制在Sn85Pb15或Sn90 Pb10左右，此範圍之合金熔點都在200℃左右，因此，目前業界常使用之215℃ ~ 220℃的迴焊(reflow)溫度已足夠使錫膏及元件之合金均成為液態而融合在一起，但如果元件的表面是使用純錫的系統，錫的熔點為232℃，則迴焊的過程中，元件表面沒有熔化，熔化的錫膏只能靠表面張力與元件結合，此種固體與液體的結合，遠不及液體與液體的結合，往往造成所謂 “爬錫高度不足的 “ 的缺陷。這個問題亦造成元件廠商遲遲不敢全面導入無鉛的系統。
不能將迴焊溫度提高，主要原因是必須考慮電路板上其他元件的耐溫特性，如主動元件的封裝外殼、連接器及電解電容等，都是不耐高溫的元件。因此目前含鉛焊錫的迴焊溫度才會維持在目前215℃ ~ 220℃左右。
但這些元件的特性終究也必須改進，因為目前已經被國際電子製作協會(NEMI)建議之 “工業標準 “無鉛錫膏的合金系統有兩種:
(1)Sn3.9 Ag0.6 Cu(±0.2%)，適合迴焊製程，熔點約在217 ~ 218℃之間，建議迴焊溫度為238 ~ 248℃。 (2)Sn0.7Cu，適合波焊(wave solder)，製程熔點為227℃，波焊溫度245 ~ 255℃。
此兩種系統的製程溫度都高於純錫的熔點，因此，未來真正導入無鉛化製程後，純錫系統的元件才能順利運作。 對元件電鍍製程而，純錫是最單純操作的系統，但為了解決目前有鉛與無鉛錫膏並存的過渡時期，必須再選擇另一種無鉛的合金系統，下表是目前常被考慮之焊錫合金系統：
表一 無鉛焊錫合金系統性性比較表
錫
錫-鉍
錫-銅
錫-銀
潤溫性
＋
＋
＋/－
＋
延性
＋
－
－
耐蝕性
＋
＋
＋
抵抗錫鬚能力
＋/－
＋
－
成本
＋
－
－
－
量產性
＋ ＋
＋
＋
－ －
相容性
＋
＋/－
＋
＋
＋＋：非常好、 ＋：好、 ＋/－：普通、 空白：沒有資料
在這些系統中，錫-鉍是日本常用的系統，而歐、美則傾向純錫系統。純錫 的特性相較表中其他合金是比較好的系統，但有研究發現，純錫對蒸汽老化測試 (steam aging) 最敏感，潤濕性衰減最快，也就是說氧化最快，這可能會造成儲存 期限的下降。
錫-銀系統成本太高，製程難控制，未來幾年內尚無有效解決方案。
錫-銅系統主要是採用(Sn0.7 Cu)這個成份的低溫相，但此成份很難監控(特別是底 材也是銅)，且很容易產生錫鬚，雖然將銅成份提高至 2-3%可以有效抑制錫鬚， 但製程及成份不易掌控將使錫銅系統在短期內尚無法普遍被接受。
錫-鉍系統最早在日本導入，鉍是週期表中最靠近鉛的元素，因此錫-鉍合金也有 類似錫-鉛合金的特性，鉍含量愈高，熔點也愈低，日本曾發展出鉍含量高達 10% 的合金系統(熔點接近 Sn63Pb37 的 163℃)，但因為機械性質太脆，因此將鉍含量 降 3%，Sn-3%Bi 有良好的焊錫性及抵抗錫鬚的能力，因此日本廠商已廣為接受， 但歐美廠商對此系統之資料所知有限，接受度並不高。
歐美廠商排斥錫-鉍合金的另一個原因在於錫-鉍遇到鉛可能形成錫-鉍-鉛三相合 金，而這種合金可能會有一個 96℃的低溫相形成，在高低溫循環的環境下有機 械性質降低的疑慮，因此，仍傾向純錫。
綜合上述之資料可以瞭解，鉍的添加可以降低熔點，且錫-鉍系統已經過日 本實際應用。為解決目前有鉛無鉛交接期的純錫熔點過高之問題，錫-鉍是比較 適合的選擇。
以長遠的角度而言，純錫應該是最終的用系統，特別是以資源再利用的綠色 產品的角度來說。但在短期有鉛及無鉛交替的過渡時期，錫-鉍還是廣為接受的 合金系統。
對於錫-鉍的電鍍製程而言，製程控制必須注意的要點如下：
(a) 錫鉍合金的鉍含量會隨電鍍電流密度降低而增加。
(b) 當電流降為零時鉍會黏附在在陽極表面，可以用自動添加系統來解決。
(c) 鎳厚度可再降低至 3um 以下。
(d) 電鍍錫晶粒大小會影響錫鬚的生成，晶粒愈大，錫鬚愈少。研究發現 5.2μm Sn+0.18μmNi 底層，幾乎沒有錫鬚發生。而其他研究也指出，只要有鎳當底層降 低電鍍錫所受的應力，錫鬚是可以有效亦制的，至於鎳的厚度可參照 IBM 的要求。作者：莊弘毅
璦司柏電子股份有限公司 總經理