回流焊接技術中的材料考慮
前言：
在以前的文章中我們討論到技術整合的主要元素是設計、材料、工藝、設備和品質（注一）。本期我們就來看看‘材料’的部份。
在SMT回流焊接技術中，牽涉到的材料主要有三方面，就是PCB、器件以及錫膏焊料。目前SMT業界中使用的材料種類很多，隨著無鉛技術的到來更變成十分的複雜。而這些材料，雖然都可以使用在回流焊接技術中。但他們對工藝的要求以及個別的品質表現都不完全一樣，有些甚至有相當的差距。比如某些需要較大的熱能（較高的溫度，較長的時間），而另外一些卻只需少量的熱能，或甚至不能承受大熱能。在這種情況下，如果要確保焊接工作能做得好，我們就必須在材料上進行適當的選擇和配搭，使需求不同或矛盾的材料不會同時被使用上。這就是所謂焊接技術的材料考慮了。
在本系列文章的第二篇中，我們曾談到多種的回流技術。由於篇幅的關係，我們這裏的材料考慮只談和最常用的熱風回流技術相關的。也因為篇幅關係，在這裏我不想仔細的分析各種材料的特性，而是通過一些考慮做法的描述解釋，來提供一個方向，協助讀者們做得更好。
材料焊接時的三種模式：
在焊接的過程中，我們一般借助於以下三種特性中的一種或多種混合模式來使兩個焊接面和焊料形成焊點。
1．溶解Melting；
2．溶蝕Dissolution;
3．滲透擴散 Diffusion
實際情況下採用哪一種原理，是看材料（金屬）的特性，例如該金屬的熔點，相對溶蝕率等等而定。而不同的金屬特性和模式，也就決定了我們必須採用的工藝和設置的工藝參數值。例如當我們利用第一種的溶解原理時，我們必須保證焊接溫度達到或超過焊接的兩種金屬的熔點（比如Sn37Pb錫鉛合金的熔點為183oC），其焊接的形成是十分迅速的，可以在一兩秒鐘內完成（注二）。如果利用的是第二類原理，則焊接溫度必須達到或超過其中低熔點金屬的熔點溫度，並提供足夠的時間讓低熔點材料對高熔點材料的溶蝕完成。在這種工藝中，溫度的高低決定了溶蝕的速度，所以在越高的溫度下，焊接時間可以較短。而整個過程的溫度與時間的組合控制，要比第一種模式的要求要高些。
前兩種模式一般使用在焊接面的表面保護層上，而第三種的滲透擴散模式，對每一個焊接面都是個必需品。良好的焊接就是依靠這第三種原理，是焊接面之間形成一個薄層的金屬間合金的（IMC，注三）。
由於各種模式的特性差異，在設計焊接系統時我們就必須考慮到採用怎樣的材料和焊接原理。這樣才不至於出現同一個PCBA上出現需求差異太大而難以焊接的情況。值得注意的是，對於焊料（錫膏）來說，由於它也是填充物（填充焊接面間隙），我們都要求它熔化。所以在應用中的溫度要求，只要是超過其熔點溫度就可以了（注四）。在達到熔化溫度後，它不像器件焊端材料或PCB焊盤材料那樣對溫度和時間有較嚴格的要求。所以只按照錫膏供應商提供的溫度曲線標準來設置回流焊接工藝，並不是個正確的做法。以傳統的Sn37Pb焊料而言，超過183oC（Sn37Pb的熔點溫度）後，焊接工藝參數就該以考慮到PCBA上器件和焊盤材料為主了。
回流焊接技術中的材料：
在進行焊接時，整個材料系統包括了3個主要部份。就是器件、基板（PCB）、以及將它們進行結合的焊料（在回流技術中常用的錫膏）。要確保焊接可以在高品質結果下完成，他們之間必須對工藝要求有較好的配搭。所以在選擇這些材料時，不應該是各自獨立考慮的。一般在應用上，器件的材料種類變化最多。這不只是因為可選的材料種類原本就多，而也是因為用戶採用的供應商多，大家選擇不一的原因。其次是PCB方面。變化最少的應該是焊料方面，一般除了加工業（CM或EMS）由於要滿足個別客戶的要求而可能採用較多種類的錫膏外，製造自己產品的OEM或ODM都只選用一到兩種焊料。
從工藝和品質管制的角度來看，材料的種類和變化是越少越好。所以除非電性能、可靠性或成本方面的壓力大，否則設計部應該儘量減少材料選擇上的變化。這是DFM/DFR管理上的一個重要準則。
材料特性考慮：
從回流焊接的角度來看，我們對材料的以下的三種特性最為關注。
1．可焊性；
2．耐熱性；
3．庫存壽命。
所有的材料都必須經過以上特性的能力認證，才算合格（適合回流焊接工藝）。
在考慮物料如器件或PCB的可焊性時，其定義必須是較完整的。可焊性並不是只指潤濕性，或是熔錫可以與焊接面結合的現象。從工藝和品質的考量上，可焊性較完整的定義必須包括以下各點。
? 快速的潤濕形成以及足夠的潤濕力；
? 可以較低的焊接溫度以及較短的時間內完成；
? 機械特性較好的IMC；
? 焊接時不容易出現工藝故障（如氣孔、焊球、吸錫等）
決定以上特性的，是下面的幾個因素：
? 焊接面各層的材料；
? 焊接面各層材料的厚度；
? 形成各層材料的工藝（如無極電鍍、浸鍍等）；
? 器件封裝和焊端的形狀結構；
也就是說，如果我們要很好的確保回流焊接品質，在我們選擇材料時就必須對每一個器件或材料進行以上的4個方面，按先前描述的4個可焊性定義進行評估考慮。
在回流焊接的過程中，被焊接的材料必須經過較長時間和相對高溫的處理。所以材料的耐熱性也是個重要的考量因素。由於無鉛技術一般上需要較高的溫度處理，材料耐熱問題在無鉛技術到來後更加被重視。業界一些機構也以此建議了較明確的規範。例如圖一是IPC和JEDEC聯合建議的無鉛器件耐熱性的測試標準（注五）。
圖一
在筆者的個人經驗中，這樣的規範雖然可以使用在大多數場合中，但還不是個精確保險的規範。這主要有兩方面的考慮。一是標準中不應該提供上下限，耐熱特性應該只有最低標準而沒有最高標準。提供上限只會造成參考和執行上的混亂。其二是熱破壞模式其實和三種不同的熱反應有關，這樣的規範無法精確的評估這三方面的能力。對與那些需要十分重視品質的用戶，筆者建議在材料評估上按以下的三種評估來做較為精確。
1．最高承受溫度（必須含時間觀念）；
2．最高承受熱衝擊（升溫和降溫速率）；
3．最高承受總熱能（總溫度和時間關係）
以上三種熱反應的破壞模式不同而且不存在一定的關係，也就是說具備較高溫度承受能力的一個器件或材料，未必也具備較高的熱衝擊承受能力。因此我們在評估材料時都必須進行測試確認。用戶很有可能遇到的問題，是許多材料或器件供應商並沒有採用類似的認證方法。所以也無從提供這類指標。這也就是說，在很多時候，要把握材料的這些特性，確保品質，用戶必須靠自己的認證。而認證需要資源的投入，這在本區域又是較敏感和管理經驗較弱的。我的建議是用戶按自己產品或服務的品質責任，對產品的關鍵以及新封裝器件有選擇性的進行評估。這樣或許能夠有較好的平衡點。
器件材料的第三項考慮重點是庫存需求和壽命。雖然JIT管理在效率和品質上都屬於較好的管理做法，而且可以去除（或至少大大的減少）庫存問題。但實際上對好些用戶來說， 推行JIT的條件並不存在。尤其在是變化日益快速的競爭情況下。所以研究和處理器件材料的庫存問題還是個重要的工作。
在我們研究或考慮庫存壽命時，一定要有庫存條件的因素在內。庫存條件指的是環境（溫、濕度）和包裝保護性能。器件焊端和PCB焊盤鍍層雖然都有保護層來確保有較長的庫存壽命，但這些保護層都會在庫存期間逐步的退化。所以庫存是有壽命而非無限期的。一般而言，在庫存期間焊端的表面會起氧化作用而形成對焊接不利的氧化層。不過由於氧化層形成後會降低後期的氧化速度，加上焊接時我們所使用的助焊劑多能夠去除這氧化層，或者在較嚴重情況下我們還可以通過返工或表面處理來恢復其可焊性，所以庫存中的氧化問題還不算是最嚴重。另一方面，在庫存期間如果焊端鍍層內層的合金層（即IMC）增長過度而露出表面，或離開表面只有十分薄的程度，在焊接時表層的可焊材料經過溶蝕後焊料和不可焊的IMC接觸，焊接面就無法良好的形成。在這種情況下我們是無法返工的，出現不可焊接的器件只能作廢。
以上的IMC增長問題是否會出現，就看焊端鍍層的材料、厚度以及庫存條件而定。選擇IMC增長慢的材料如NiAu，較厚的鍍層，以及較低的庫存溫度將會增加器件可焊性的庫存壽命。不過正如我們在其他技術方面所遇到的情況一樣，各種方案總有好與壞的方面同時給我們提出考驗。較厚的鍍層雖然在庫存上有好處，卻給我們帶來其他問題。如Au的成本高，而且含量太高（鍍層厚）將給焊接後的焊點帶來金脆化的可靠性問題。同時較厚的鍍層也需要較多的熱能來焊接，也就是較高的溫度和/或較長的時間。這在焊接工藝中都是不利的。因此在考慮和選擇材料時我們必須給予整合分析。
錫膏的考慮：
在選擇錫膏時，我們也同樣的考慮到以上所說的可焊性、耐熱性和庫存需求和壽命三方面的特性表現。不過我們一般採用其焊接中出現的故障模式來描述前兩方面的能力。例如熱坍塌、焊球/焊珠程度、潤濕性等等。一個良好的錫膏配方，我們在使用時對預防其工藝故障方面較好處理，這是由於它對熱的變化的‘容忍性’較強。而摸清楚個別錫膏的‘容忍性’，就是我們在選擇錫膏前必須進行的工作。原本錫膏的特性應該是由供應商來完整和詳細的提供給用戶的。但不幸的是，由於牽涉到產權秘方等問題，用戶一般並不能夠得到很精確的資料。這就造成用戶有必要自己進行認證了。即使不存在以上的問題，用戶對於供應商的技術資料來源一般也無法知道或考證，也因此有可能造成適用上的問題。比如年初我在華東協助一家用戶提升他們的焊接工藝能力時就將供應商提供的標準中的數項指標進行修改了。例如供應商指標中建議升溫區的升溫速度應該￡2.5oC，但在該客戶的設計規範內，這指標會造成熱坍塌過度的問題。經過實際試驗認證，升溫速度￡1.6oC對這用戶來說是個保險的做法。而我們也發現，該型號的錫膏，只要在升溫區限制好這升溫速度，在回流進入其他溫區後，熱坍塌的情況就十分輕微。這類發現以及對該錫膏特性的掌握能協助我們更好的制定我們的工藝規範，預先排除各種故障。
從焊接的角度來看，筆者建議用戶在選擇錫膏前對以下特性進行評估認證（注六）。
? 潤濕性
? 冷坍塌、熱坍塌
? 抗氧化能力
? 焊劑助焊能力
? 濺錫特性
? 殘留物的量和特性
? 熱揮發特性
? 使用壽命（開封後壽命、回收次數、印刷後壽命等）
瞭解錫膏的上述特性有助於我們設置正確的溫度曲線和減少工藝故障。這工作雖然在前期的資源投入較多，但是個十分值得的投入。
器件的考慮：
器件材料的考慮注重於焊端以及封裝本體兩部份。以上我們談到材料的特性考慮時所提到的可焊性、耐熱性和庫存三方面，也同樣是器件選擇考慮的重點。不過器件在這些考慮上還有細節必須加以補充。
可焊性的定義在應用到器件選擇上就必須做得更細。我們必須全面的照顧到焊接過程中下列的5大要求。
1．良好的潤濕；
2．適當的錫量；
3．正確的熔錫流向；
4．焊接過程中焊端靜止；
5．形成適當厚度的IMC。
器件的整體結構，包括焊端和封裝本體，焊端的材料和鍍層厚度，都會對以上各要求有一定的影響。在我們選擇或認證器件的工藝性時，就應該仔細的給予考慮。這工作如果做得足夠完整精確，我們離開零缺陷的目標就越近。這工作是屬於技術整合中可製造性設計的部份，我將來會有論文更詳細的和大家分享。這裏想先提一提的是，業界負責封裝技術的半導體行業，他們的關注點主要在於電性考慮。因為‘我們器件的電性最好’肯定是個比‘我們的器件最容易組裝’來得好的賣點。加上從事封裝設計的人對於SMT組裝工藝未必瞭解得夠，所以設計出來的封裝有時候都是不利於組裝工作的。例如BGA，DirectFETTM，某些DFN封裝等等，其設計都有很好的電性表現，但對於組裝工程師來說，卻給他們帶來了難度和挑戰。
目前電子業界中使用的許多器件，都還是屬於非氣密式封裝。非氣密式的封裝材料在庫存過程中是會吸潮的。而這種特性就會給焊接工藝帶來‘爆米花’的故障風險。所以在選擇材料中我們必須給予關注。不過由於成本和重量的問題，我們目前的做法並非捨棄非氣密式的封裝不用，而較多是選擇控制的做法。也就是防潮和受潮後的處理。這方面不論是在供應商那裏或用戶處，業界都已經有規範做法。例如供應商必須按照該封裝的潮敏程度，在完成封裝工藝某時間段內進行某程度防潮性能的包裝。而在用戶處則必須按照供應商所標示的防潮等級，在開封後某時間段內完成組裝焊接。或在無法實施時進行烘烤等除潮處理（注七）。
PCB的考慮：
在電子業中所使用的PCB焊盤基材主要是Cu（銅）材料。銅雖然適合於焊接和形成可靠的焊點，但銅是很容易氧化的金屬，氧化後的銅可焊性很差。雖然一些酸性強的助焊劑可以將一般的氧化銅清除，但卻會留下了對PCBA不利的腐蝕後遺癥。所以設法制止銅的氧化是PCB業界中一個主要的技術工作。一般的做法就是將銅和氧隔離，也就是在銅上加上一層不容易氧化的‘保護層’。但必須確保這層材料在提供保護的同時，不會給焊接工藝或過後焊點的可靠性帶來不良的影響。目前多數採用的做法有三類，一是使保護層材料在焊接前被熱或焊劑除去，例如OSP保護層技術。第二種做法是使保護層材料和焊料一起溶解，例如表層鍍Sn或SnPb熱風整平技術。第三種是利用熔化的焊料將表層保護材料溶蝕後基層焊接，例如鍍Ni/Au的技術。
常用的焊盤鍍層材料有很多種，例如Sn，Ag，Pd或Pd合金，SnAg合金，Ni/Sn或Ni/SnPb層，Ni/Au層，Ni/Pd層，還有OSP（有機保護層）等。不同的材料在工藝和品質上會有不同的特性。除此之外，PCB製造商在製造焊盤的表面保護層時會有不同的工藝供選擇。例如常見的鍍層工藝有：有極電鍍、無極電鍍和浸鍍工藝。這些不同的工藝配合不同的材料也會帶來可能影響焊接工藝或焊點品質的不同影響。而這是從事PCBA加工廠家所必需掌握的。比如當使用Ni/Au鍍層時，我們可以有不同的電鍍工藝選擇。常用的有ENEG和ENIG（注八）。ENIG雖然有成本和工藝控制上的優勢，但卻會有‘黑盤’故障（注九）以及焊點壽命較差等問題。而ENEG卻有另外的一些問題如不能和所有的綠油（阻焊層）材料相容、成本較高以及供應商少等等。用戶以此必須按本身情況和要求進行選擇。
又比如越來越普遍的OSP技術，許多用戶把所有OSP當作只有一種材料，幾乎從未去研究不同供應商之間的差異。OSP技術已經最少經過了5代的發展，而每一代的工藝條件和能力都不一樣。即使屬於同一代技術，也會因為不同供應商配方上的差異而有所不同。這情況就像錫膏或焊劑一樣。也就是說，雖然都稱為OSP，不同來源的OSP對焊接工藝中的溫度、時間要求，以及和不同錫膏焊劑的相容性都可能不同。選擇配搭不當就會造成工藝上較困難，甚至無法焊接好。
和器件的情況一樣，用戶將面對許多不同材料和工藝的選擇。但在PCB材料的處理上要比器件容易得多。因為我們可以較好的限制其種類和供應商。比如說只選用OSP和ENEG各兩家供應商。這在評估和品質管制的投入上都會節省不少。避免使用太多不同的材料、不同的工藝以及不同的供應商（包括同一供應商不同的廠）。這將減少您的品質風險。
對PCB的另外一個要求，是它必須能夠經受多次的焊接。除非您採取的是免修策略。否則就必須考慮到PCB在組裝加工中可能出現的多次焊接加返修後的可靠性。從品質的角度來看，任何形式的返修對焊點的可靠性都是不利的。而且次數越多品質的損害程度也越大。
PCB受潮也是個常見的問題。所以防潮工作也必須做到位。最好的做法是有合理的設計，配合評估和選擇能力強的供應商（因為許多受潮問題是供應商工藝能力或品質管制較差所造成的）。 其次是在採購流程上進行控制，使用‘新鮮’的PCB。使用前烘烤的做法應該是個不得已的補救做法，而不是個正常工藝或手段。因為烘烤雖然可以解決或改善受潮問題，但卻可能帶來了其他風險。比如對OSP的破壞、對焊盤IMC的助長等等。
技術整合考慮：
以上談到錫膏、器件、以及PCB材料的個別選擇考慮原理。這裏我想強調的一點，是在實際工作中它們必須是綜合考慮的。也就是我們必須對這三者進行技術整合。以下的例子可能可以協助讀者瞭解這做法的重要性。
比如在一個器件焊端為42合金鍍Sn40Pb，PCB焊盤為OSP保護，和錫膏為傳統Sn37Pb合金類的組合下，出現了因為引腳吸錫問題而形成焊點少錫的故障現象。我們可以通過不同的材料選擇組合來解決或減少這問題程度。如果程度不嚴重，我們可以通過採用性能更好的OSP或ENIG獲得解決。如果問題較大，我們可能有必要將器件的鍍層改用Sn90Pb或Sn85Pb來獲得解決。但如果使用的錫膏是無鉛的SAC合金的話，使用Sn90Pb或Sn85Pb有可能造成器件移位元的另外一種故障現象。而必須使用如Ni/Pd/Au鍍層的這一器件才能避免位移。所以良好的選擇，是必須綜合考慮所有三種物料的配合的。這也就是為什麼我常告訴用戶朋友們，在SMT中似乎沒有絕對的好壞，而是看你如何配合及掌握它們。
我們平時在診斷生產線上出現的故障問題時，多數時候對材料的認證是比較困難的。技術整合理念告訴我們，材料、工藝、設計和設備是個配搭的關係，一個因素中的問題，可能通過調整另外原本沒有問題的因素來獲得補償。比如現場的工藝參數調整就是提供這種作用。而往往卻是這原因使得許多工程師經常將現場的問題定位為‘物料’問題。這類例子在我實際工作中見得不少。例如有個用戶在工藝參數定得不好的情況下，經過更換一批來自不同供應商的物料（SOJ封裝的IC）後故障大量減少而將問題定位為物料問題。而實際上這兩種來自不同廠家的物料的鍍層材料不同（都是SnPb，但成份比例不同），可焊性有所差別。當時的工藝參數設置不好使得可焊性較強的引腳產生吸錫狀況。其實在實際工作中，器件或材料的認證是比較難的，不論在測試認證手段上，或是在數量統計上都常存在問題。一般較有效的做法是先認證和排除設計、工藝以及設備的問題，而後才推斷為物料相關問題。
我在工作上還經常遇到一個情況，就是物料的供應商對本身的問題不承認而又缺乏可靠的依據理由。許多供應商的解釋是：“我們其他的用戶都沒有這個問題”（意思當然是“只有你有問題，所以是你的錯”）。須知SMT的整合狀況複雜，很難有兩家工廠的應用條件是完全一致的。這也就是說我們普遍存在可比性的問題。所以在沒有足夠和仔細瞭解用戶的各方面情況下，我們是無法斷定責任是否在於供應商方面。這種工作心態和觀念有必要更正過來。當然用戶方面也常會出錯，而主要的錯誤就在於對物料缺乏認證和明確的技術指標。如果要做到預防性的品質管制，用戶必須要提供明確的指標要求，並和供應商達成認證方法協定。
無鉛技術帶來的影響和問題：
在我們電子製造業步向無鉛技術而將焊料中的鉛給排除後，很不幸的至今沒有能夠找到完全適合的替代品。不過多年來的也就卻出現了許許多多的‘可用品’。這些‘可用品’不但在工藝上給我們帶來了更高的要求和難度，也因為種類繁多、實際使用經驗的不足而使我們面對許多選擇的問題。無鉛技術中出現更多的材料種類，本來我們更需要投入更多的資源來進行研究、測試、認證和選擇。但實際上或許不會如此。至少我還沒有發現有這樣做法的例子。這是因為目前的狀況存在一些不利的因素。例如電子製造業從以技術為主要關注的較先進工業國，轉移到以就業、成本為主要關注的發展中國家。使我們較缺乏條件來做好選擇的工作。更甚的是，在本地區的一般企業中，材料的考慮和選擇都是由工藝知識掌握不足的設計部和採購部人員在執行。加上技術整合管理的缺乏，DFM/DFR系統的不健全等等管理問題，將使我們無法很好的從材料的評估、選擇和控制上保證我們的品質。也就是說我們很可惜的無法利用一個能預防問題的重要手段。或許只好將品質的保證一部份交給運氣了。
後語：
材料的考慮和選擇是個大課題。也是個十分重要的技術工作。雖然我們目前在這方面還做得很不足，而且一般企業的條件，包括管理意識理念、資源和知識等都屬於對這門工作支持不足的不理想狀況，但我希望讀者中有能領悟和努力去推行的。在我的事業生涯中，見到材料所帶來的問題以及通過材料知識所能預防的問題的例子占了很大的比重。記得在十一、十二年前的一次歐洲電子製造業會議上，業界就已經提出了“正視材料工程師缺乏的問題”的狀況。我個人覺得這一直以來還是沒有受到應有的重視。或許這段時間正逢製造業在轉移的時代，類似這樣的管理問題沒有得到應有的優先關注。不過，即使看在解決自身問題的份上，讓我們用點心思做得更好。我也希望本文能在理念上起作點啟發的作用。祝大家做得更好！
SMT技術兼管理顧問
薛競成
2006年10月
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注一：品質元素在技術整合中其實是個‘輸出’或‘結果’。但我們對品質的要求會決定我們必須使用的工藝、設備、設計和材料。所以在工作上品質（規範）也屬於整合元素之一。
注二：這裏指焊接時間，不包括焊接前的助焊和潤濕的形成等考慮。
注三：IMC是英文Inter-Metallic Compound，金屬間化合物或金屬間合金的縮寫。
注四：實際應用上我們會使焊接溫度高於熔點許多（約20度以上）。目的是為了確保較好的潤濕能力。
注五：有關圖中的指標值和注解，讀者可以參照IPC/JEDEC標準J-STD-020C。
注六：錫膏的評估分庫存、可印性和可焊性評估三部份。這裏我們只談可焊性的關鍵部份。
注七：關於防潮管理，讀者可以參考JEDEC的標準J-STD-033。
注八：ENEG是採用無極電鍍Ni和Au層的技術，ENIG則是採用無極電鍍Ni和浸鍍Au的技術。這兩種技術在目前Ni/Au材料技術中較多被使用。尤其是ENIG的供應商較多。
注九：‘黑盤’指的是焊盤上出現發黑的現象。這問題一般是ENIG工藝中Ni層電鍍液的磷含量不對的原因（過多或過少都會，但原理不同，一是浸鍍Au工藝造成，另一是庫存期SnNi的IMC增長造成）。使Ni和SnPb焊點介面脆弱，斷裂後露出含磷高的‘黑灰’層面。
在以前的文章中我們討論到技術整合的主要元素是設計、材料、工藝、設備和品質（注一）。本期我們就來看看‘材料’的部份。
在SMT回流焊接技術中，牽涉到的材料主要有三方面，就是PCB、器件以及錫膏焊料。目前SMT業界中使用的材料種類很多，隨著無鉛技術的到來更變成十分的複雜。而這些材料，雖然都可以使用在回流焊接技術中。但他們對工藝的要求以及個別的品質表現都不完全一樣，有些甚至有相當的差距。比如某些需要較大的熱能（較高的溫度，較長的時間），而另外一些卻只需少量的熱能，或甚至不能承受大熱能。在這種情況下，如果要確保焊接工作能做得好，我們就必須在材料上進行適當的選擇和配搭，使需求不同或矛盾的材料不會同時被使用上。這就是所謂焊接技術的材料考慮了。
在本系列文章的第二篇中，我們曾談到多種的回流技術。由於篇幅的關係，我們這裏的材料考慮只談和最常用的熱風回流技術相關的。也因為篇幅關係，在這裏我不想仔細的分析各種材料的特性，而是通過一些考慮做法的描述解釋，來提供一個方向，協助讀者們做得更好。
材料焊接時的三種模式：
在焊接的過程中，我們一般借助於以下三種特性中的一種或多種混合模式來使兩個焊接面和焊料形成焊點。
1．溶解Melting；
2．溶蝕Dissolution;
3．滲透擴散 Diffusion
實際情況下採用哪一種原理，是看材料（金屬）的特性，例如該金屬的熔點，相對溶蝕率等等而定。而不同的金屬特性和模式，也就決定了我們必須採用的工藝和設置的工藝參數值。例如當我們利用第一種的溶解原理時，我們必須保證焊接溫度達到或超過焊接的兩種金屬的熔點（比如Sn37Pb錫鉛合金的熔點為183oC），其焊接的形成是十分迅速的，可以在一兩秒鐘內完成（注二）。如果利用的是第二類原理，則焊接溫度必須達到或超過其中低熔點金屬的熔點溫度，並提供足夠的時間讓低熔點材料對高熔點材料的溶蝕完成。在這種工藝中，溫度的高低決定了溶蝕的速度，所以在越高的溫度下，焊接時間可以較短。而整個過程的溫度與時間的組合控制，要比第一種模式的要求要高些。
前兩種模式一般使用在焊接面的表面保護層上，而第三種的滲透擴散模式，對每一個焊接面都是個必需品。良好的焊接就是依靠這第三種原理，是焊接面之間形成一個薄層的金屬間合金的（IMC，注三）。
由於各種模式的特性差異，在設計焊接系統時我們就必須考慮到採用怎樣的材料和焊接原理。這樣才不至於出現同一個PCBA上出現需求差異太大而難以焊接的情況。值得注意的是，對於焊料（錫膏）來說，由於它也是填充物（填充焊接面間隙），我們都要求它熔化。所以在應用中的溫度要求，只要是超過其熔點溫度就可以了（注四）。在達到熔化溫度後，它不像器件焊端材料或PCB焊盤材料那樣對溫度和時間有較嚴格的要求。所以只按照錫膏供應商提供的溫度曲線標準來設置回流焊接工藝，並不是個正確的做法。以傳統的Sn37Pb焊料而言，超過183oC（Sn37Pb的熔點溫度）後，焊接工藝參數就該以考慮到PCBA上器件和焊盤材料為主了。
回流焊接技術中的材料：
在進行焊接時，整個材料系統包括了3個主要部份。就是器件、基板（PCB）、以及將它們進行結合的焊料（在回流技術中常用的錫膏）。要確保焊接可以在高品質結果下完成，他們之間必須對工藝要求有較好的配搭。所以在選擇這些材料時，不應該是各自獨立考慮的。一般在應用上，器件的材料種類變化最多。這不只是因為可選的材料種類原本就多，而也是因為用戶採用的供應商多，大家選擇不一的原因。其次是PCB方面。變化最少的應該是焊料方面，一般除了加工業（CM或EMS）由於要滿足個別客戶的要求而可能採用較多種類的錫膏外，製造自己產品的OEM或ODM都只選用一到兩種焊料。
從工藝和品質管制的角度來看，材料的種類和變化是越少越好。所以除非電性能、可靠性或成本方面的壓力大，否則設計部應該儘量減少材料選擇上的變化。這是DFM/DFR管理上的一個重要準則。
材料特性考慮：
從回流焊接的角度來看，我們對材料的以下的三種特性最為關注。
1．可焊性；
2．耐熱性；
3．庫存壽命。
所有的材料都必須經過以上特性的能力認證，才算合格（適合回流焊接工藝）。
在考慮物料如器件或PCB的可焊性時，其定義必須是較完整的。可焊性並不是只指潤濕性，或是熔錫可以與焊接面結合的現象。從工藝和品質的考量上，可焊性較完整的定義必須包括以下各點。
? 快速的潤濕形成以及足夠的潤濕力；
? 可以較低的焊接溫度以及較短的時間內完成；
? 機械特性較好的IMC；
? 焊接時不容易出現工藝故障（如氣孔、焊球、吸錫等）
決定以上特性的，是下面的幾個因素：
? 焊接面各層的材料；
? 焊接面各層材料的厚度；
? 形成各層材料的工藝（如無極電鍍、浸鍍等）；
? 器件封裝和焊端的形狀結構；
也就是說，如果我們要很好的確保回流焊接品質，在我們選擇材料時就必須對每一個器件或材料進行以上的4個方面，按先前描述的4個可焊性定義進行評估考慮。
在回流焊接的過程中，被焊接的材料必須經過較長時間和相對高溫的處理。所以材料的耐熱性也是個重要的考量因素。由於無鉛技術一般上需要較高的溫度處理，材料耐熱問題在無鉛技術到來後更加被重視。業界一些機構也以此建議了較明確的規範。例如圖一是IPC和JEDEC聯合建議的無鉛器件耐熱性的測試標準（注五）。
圖一
在筆者的個人經驗中，這樣的規範雖然可以使用在大多數場合中，但還不是個精確保險的規範。這主要有兩方面的考慮。一是標準中不應該提供上下限，耐熱特性應該只有最低標準而沒有最高標準。提供上限只會造成參考和執行上的混亂。其二是熱破壞模式其實和三種不同的熱反應有關，這樣的規範無法精確的評估這三方面的能力。對與那些需要十分重視品質的用戶，筆者建議在材料評估上按以下的三種評估來做較為精確。
1．最高承受溫度（必須含時間觀念）；
2．最高承受熱衝擊（升溫和降溫速率）；
3．最高承受總熱能（總溫度和時間關係）
以上三種熱反應的破壞模式不同而且不存在一定的關係，也就是說具備較高溫度承受能力的一個器件或材料，未必也具備較高的熱衝擊承受能力。因此我們在評估材料時都必須進行測試確認。用戶很有可能遇到的問題，是許多材料或器件供應商並沒有採用類似的認證方法。所以也無從提供這類指標。這也就是說，在很多時候，要把握材料的這些特性，確保品質，用戶必須靠自己的認證。而認證需要資源的投入，這在本區域又是較敏感和管理經驗較弱的。我的建議是用戶按自己產品或服務的品質責任，對產品的關鍵以及新封裝器件有選擇性的進行評估。這樣或許能夠有較好的平衡點。
器件材料的第三項考慮重點是庫存需求和壽命。雖然JIT管理在效率和品質上都屬於較好的管理做法，而且可以去除（或至少大大的減少）庫存問題。但實際上對好些用戶來說， 推行JIT的條件並不存在。尤其在是變化日益快速的競爭情況下。所以研究和處理器件材料的庫存問題還是個重要的工作。
在我們研究或考慮庫存壽命時，一定要有庫存條件的因素在內。庫存條件指的是環境（溫、濕度）和包裝保護性能。器件焊端和PCB焊盤鍍層雖然都有保護層來確保有較長的庫存壽命，但這些保護層都會在庫存期間逐步的退化。所以庫存是有壽命而非無限期的。一般而言，在庫存期間焊端的表面會起氧化作用而形成對焊接不利的氧化層。不過由於氧化層形成後會降低後期的氧化速度，加上焊接時我們所使用的助焊劑多能夠去除這氧化層，或者在較嚴重情況下我們還可以通過返工或表面處理來恢復其可焊性，所以庫存中的氧化問題還不算是最嚴重。另一方面，在庫存期間如果焊端鍍層內層的合金層（即IMC）增長過度而露出表面，或離開表面只有十分薄的程度，在焊接時表層的可焊材料經過溶蝕後焊料和不可焊的IMC接觸，焊接面就無法良好的形成。在這種情況下我們是無法返工的，出現不可焊接的器件只能作廢。
以上的IMC增長問題是否會出現，就看焊端鍍層的材料、厚度以及庫存條件而定。選擇IMC增長慢的材料如NiAu，較厚的鍍層，以及較低的庫存溫度將會增加器件可焊性的庫存壽命。不過正如我們在其他技術方面所遇到的情況一樣，各種方案總有好與壞的方面同時給我們提出考驗。較厚的鍍層雖然在庫存上有好處，卻給我們帶來其他問題。如Au的成本高，而且含量太高（鍍層厚）將給焊接後的焊點帶來金脆化的可靠性問題。同時較厚的鍍層也需要較多的熱能來焊接，也就是較高的溫度和/或較長的時間。這在焊接工藝中都是不利的。因此在考慮和選擇材料時我們必須給予整合分析。
錫膏的考慮：
在選擇錫膏時，我們也同樣的考慮到以上所說的可焊性、耐熱性和庫存需求和壽命三方面的特性表現。不過我們一般採用其焊接中出現的故障模式來描述前兩方面的能力。例如熱坍塌、焊球/焊珠程度、潤濕性等等。一個良好的錫膏配方，我們在使用時對預防其工藝故障方面較好處理，這是由於它對熱的變化的‘容忍性’較強。而摸清楚個別錫膏的‘容忍性’，就是我們在選擇錫膏前必須進行的工作。原本錫膏的特性應該是由供應商來完整和詳細的提供給用戶的。但不幸的是，由於牽涉到產權秘方等問題，用戶一般並不能夠得到很精確的資料。這就造成用戶有必要自己進行認證了。即使不存在以上的問題，用戶對於供應商的技術資料來源一般也無法知道或考證，也因此有可能造成適用上的問題。比如年初我在華東協助一家用戶提升他們的焊接工藝能力時就將供應商提供的標準中的數項指標進行修改了。例如供應商指標中建議升溫區的升溫速度應該￡2.5oC，但在該客戶的設計規範內，這指標會造成熱坍塌過度的問題。經過實際試驗認證，升溫速度￡1.6oC對這用戶來說是個保險的做法。而我們也發現，該型號的錫膏，只要在升溫區限制好這升溫速度，在回流進入其他溫區後，熱坍塌的情況就十分輕微。這類發現以及對該錫膏特性的掌握能協助我們更好的制定我們的工藝規範，預先排除各種故障。
從焊接的角度來看，筆者建議用戶在選擇錫膏前對以下特性進行評估認證（注六）。
? 潤濕性
? 冷坍塌、熱坍塌
? 抗氧化能力
? 焊劑助焊能力
? 濺錫特性
? 殘留物的量和特性
? 熱揮發特性
? 使用壽命（開封後壽命、回收次數、印刷後壽命等）
瞭解錫膏的上述特性有助於我們設置正確的溫度曲線和減少工藝故障。這工作雖然在前期的資源投入較多，但是個十分值得的投入。
器件的考慮：
器件材料的考慮注重於焊端以及封裝本體兩部份。以上我們談到材料的特性考慮時所提到的可焊性、耐熱性和庫存三方面，也同樣是器件選擇考慮的重點。不過器件在這些考慮上還有細節必須加以補充。
可焊性的定義在應用到器件選擇上就必須做得更細。我們必須全面的照顧到焊接過程中下列的5大要求。
1．良好的潤濕；
2．適當的錫量；
3．正確的熔錫流向；
4．焊接過程中焊端靜止；
5．形成適當厚度的IMC。
器件的整體結構，包括焊端和封裝本體，焊端的材料和鍍層厚度，都會對以上各要求有一定的影響。在我們選擇或認證器件的工藝性時，就應該仔細的給予考慮。這工作如果做得足夠完整精確，我們離開零缺陷的目標就越近。這工作是屬於技術整合中可製造性設計的部份，我將來會有論文更詳細的和大家分享。這裏想先提一提的是，業界負責封裝技術的半導體行業，他們的關注點主要在於電性考慮。因為‘我們器件的電性最好’肯定是個比‘我們的器件最容易組裝’來得好的賣點。加上從事封裝設計的人對於SMT組裝工藝未必瞭解得夠，所以設計出來的封裝有時候都是不利於組裝工作的。例如BGA，DirectFETTM，某些DFN封裝等等，其設計都有很好的電性表現，但對於組裝工程師來說，卻給他們帶來了難度和挑戰。
目前電子業界中使用的許多器件，都還是屬於非氣密式封裝。非氣密式的封裝材料在庫存過程中是會吸潮的。而這種特性就會給焊接工藝帶來‘爆米花’的故障風險。所以在選擇材料中我們必須給予關注。不過由於成本和重量的問題，我們目前的做法並非捨棄非氣密式的封裝不用，而較多是選擇控制的做法。也就是防潮和受潮後的處理。這方面不論是在供應商那裏或用戶處，業界都已經有規範做法。例如供應商必須按照該封裝的潮敏程度，在完成封裝工藝某時間段內進行某程度防潮性能的包裝。而在用戶處則必須按照供應商所標示的防潮等級，在開封後某時間段內完成組裝焊接。或在無法實施時進行烘烤等除潮處理（注七）。
PCB的考慮：
在電子業中所使用的PCB焊盤基材主要是Cu（銅）材料。銅雖然適合於焊接和形成可靠的焊點，但銅是很容易氧化的金屬，氧化後的銅可焊性很差。雖然一些酸性強的助焊劑可以將一般的氧化銅清除，但卻會留下了對PCBA不利的腐蝕後遺癥。所以設法制止銅的氧化是PCB業界中一個主要的技術工作。一般的做法就是將銅和氧隔離，也就是在銅上加上一層不容易氧化的‘保護層’。但必須確保這層材料在提供保護的同時，不會給焊接工藝或過後焊點的可靠性帶來不良的影響。目前多數採用的做法有三類，一是使保護層材料在焊接前被熱或焊劑除去，例如OSP保護層技術。第二種做法是使保護層材料和焊料一起溶解，例如表層鍍Sn或SnPb熱風整平技術。第三種是利用熔化的焊料將表層保護材料溶蝕後基層焊接，例如鍍Ni/Au的技術。
常用的焊盤鍍層材料有很多種，例如Sn，Ag，Pd或Pd合金，SnAg合金，Ni/Sn或Ni/SnPb層，Ni/Au層，Ni/Pd層，還有OSP（有機保護層）等。不同的材料在工藝和品質上會有不同的特性。除此之外，PCB製造商在製造焊盤的表面保護層時會有不同的工藝供選擇。例如常見的鍍層工藝有：有極電鍍、無極電鍍和浸鍍工藝。這些不同的工藝配合不同的材料也會帶來可能影響焊接工藝或焊點品質的不同影響。而這是從事PCBA加工廠家所必需掌握的。比如當使用Ni/Au鍍層時，我們可以有不同的電鍍工藝選擇。常用的有ENEG和ENIG（注八）。ENIG雖然有成本和工藝控制上的優勢，但卻會有‘黑盤’故障（注九）以及焊點壽命較差等問題。而ENEG卻有另外的一些問題如不能和所有的綠油（阻焊層）材料相容、成本較高以及供應商少等等。用戶以此必須按本身情況和要求進行選擇。
又比如越來越普遍的OSP技術，許多用戶把所有OSP當作只有一種材料，幾乎從未去研究不同供應商之間的差異。OSP技術已經最少經過了5代的發展，而每一代的工藝條件和能力都不一樣。即使屬於同一代技術，也會因為不同供應商配方上的差異而有所不同。這情況就像錫膏或焊劑一樣。也就是說，雖然都稱為OSP，不同來源的OSP對焊接工藝中的溫度、時間要求，以及和不同錫膏焊劑的相容性都可能不同。選擇配搭不當就會造成工藝上較困難，甚至無法焊接好。
和器件的情況一樣，用戶將面對許多不同材料和工藝的選擇。但在PCB材料的處理上要比器件容易得多。因為我們可以較好的限制其種類和供應商。比如說只選用OSP和ENEG各兩家供應商。這在評估和品質管制的投入上都會節省不少。避免使用太多不同的材料、不同的工藝以及不同的供應商（包括同一供應商不同的廠）。這將減少您的品質風險。
對PCB的另外一個要求，是它必須能夠經受多次的焊接。除非您採取的是免修策略。否則就必須考慮到PCB在組裝加工中可能出現的多次焊接加返修後的可靠性。從品質的角度來看，任何形式的返修對焊點的可靠性都是不利的。而且次數越多品質的損害程度也越大。
PCB受潮也是個常見的問題。所以防潮工作也必須做到位。最好的做法是有合理的設計，配合評估和選擇能力強的供應商（因為許多受潮問題是供應商工藝能力或品質管制較差所造成的）。 其次是在採購流程上進行控制，使用‘新鮮’的PCB。使用前烘烤的做法應該是個不得已的補救做法，而不是個正常工藝或手段。因為烘烤雖然可以解決或改善受潮問題，但卻可能帶來了其他風險。比如對OSP的破壞、對焊盤IMC的助長等等。
技術整合考慮：
以上談到錫膏、器件、以及PCB材料的個別選擇考慮原理。這裏我想強調的一點，是在實際工作中它們必須是綜合考慮的。也就是我們必須對這三者進行技術整合。以下的例子可能可以協助讀者瞭解這做法的重要性。
比如在一個器件焊端為42合金鍍Sn40Pb，PCB焊盤為OSP保護，和錫膏為傳統Sn37Pb合金類的組合下，出現了因為引腳吸錫問題而形成焊點少錫的故障現象。我們可以通過不同的材料選擇組合來解決或減少這問題程度。如果程度不嚴重，我們可以通過採用性能更好的OSP或ENIG獲得解決。如果問題較大，我們可能有必要將器件的鍍層改用Sn90Pb或Sn85Pb來獲得解決。但如果使用的錫膏是無鉛的SAC合金的話，使用Sn90Pb或Sn85Pb有可能造成器件移位元的另外一種故障現象。而必須使用如Ni/Pd/Au鍍層的這一器件才能避免位移。所以良好的選擇，是必須綜合考慮所有三種物料的配合的。這也就是為什麼我常告訴用戶朋友們，在SMT中似乎沒有絕對的好壞，而是看你如何配合及掌握它們。
我們平時在診斷生產線上出現的故障問題時，多數時候對材料的認證是比較困難的。技術整合理念告訴我們，材料、工藝、設計和設備是個配搭的關係，一個因素中的問題，可能通過調整另外原本沒有問題的因素來獲得補償。比如現場的工藝參數調整就是提供這種作用。而往往卻是這原因使得許多工程師經常將現場的問題定位為‘物料’問題。這類例子在我實際工作中見得不少。例如有個用戶在工藝參數定得不好的情況下，經過更換一批來自不同供應商的物料（SOJ封裝的IC）後故障大量減少而將問題定位為物料問題。而實際上這兩種來自不同廠家的物料的鍍層材料不同（都是SnPb，但成份比例不同），可焊性有所差別。當時的工藝參數設置不好使得可焊性較強的引腳產生吸錫狀況。其實在實際工作中，器件或材料的認證是比較難的，不論在測試認證手段上，或是在數量統計上都常存在問題。一般較有效的做法是先認證和排除設計、工藝以及設備的問題，而後才推斷為物料相關問題。
我在工作上還經常遇到一個情況，就是物料的供應商對本身的問題不承認而又缺乏可靠的依據理由。許多供應商的解釋是：“我們其他的用戶都沒有這個問題”（意思當然是“只有你有問題，所以是你的錯”）。須知SMT的整合狀況複雜，很難有兩家工廠的應用條件是完全一致的。這也就是說我們普遍存在可比性的問題。所以在沒有足夠和仔細瞭解用戶的各方面情況下，我們是無法斷定責任是否在於供應商方面。這種工作心態和觀念有必要更正過來。當然用戶方面也常會出錯，而主要的錯誤就在於對物料缺乏認證和明確的技術指標。如果要做到預防性的品質管制，用戶必須要提供明確的指標要求，並和供應商達成認證方法協定。
無鉛技術帶來的影響和問題：
在我們電子製造業步向無鉛技術而將焊料中的鉛給排除後，很不幸的至今沒有能夠找到完全適合的替代品。不過多年來的也就卻出現了許許多多的‘可用品’。這些‘可用品’不但在工藝上給我們帶來了更高的要求和難度，也因為種類繁多、實際使用經驗的不足而使我們面對許多選擇的問題。無鉛技術中出現更多的材料種類，本來我們更需要投入更多的資源來進行研究、測試、認證和選擇。但實際上或許不會如此。至少我還沒有發現有這樣做法的例子。這是因為目前的狀況存在一些不利的因素。例如電子製造業從以技術為主要關注的較先進工業國，轉移到以就業、成本為主要關注的發展中國家。使我們較缺乏條件來做好選擇的工作。更甚的是，在本地區的一般企業中，材料的考慮和選擇都是由工藝知識掌握不足的設計部和採購部人員在執行。加上技術整合管理的缺乏，DFM/DFR系統的不健全等等管理問題，將使我們無法很好的從材料的評估、選擇和控制上保證我們的品質。也就是說我們很可惜的無法利用一個能預防問題的重要手段。或許只好將品質的保證一部份交給運氣了。
後語：
材料的考慮和選擇是個大課題。也是個十分重要的技術工作。雖然我們目前在這方面還做得很不足，而且一般企業的條件，包括管理意識理念、資源和知識等都屬於對這門工作支持不足的不理想狀況，但我希望讀者中有能領悟和努力去推行的。在我的事業生涯中，見到材料所帶來的問題以及通過材料知識所能預防的問題的例子占了很大的比重。記得在十一、十二年前的一次歐洲電子製造業會議上，業界就已經提出了“正視材料工程師缺乏的問題”的狀況。我個人覺得這一直以來還是沒有受到應有的重視。或許這段時間正逢製造業在轉移的時代，類似這樣的管理問題沒有得到應有的優先關注。不過，即使看在解決自身問題的份上，讓我們用點心思做得更好。我也希望本文能在理念上起作點啟發的作用。祝大家做得更好！
SMT技術兼管理顧問
薛競成
2006年10月
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注一：品質元素在技術整合中其實是個‘輸出’或‘結果’。但我們對品質的要求會決定我們必須使用的工藝、設備、設計和材料。所以在工作上品質（規範）也屬於整合元素之一。
注二：這裏指焊接時間，不包括焊接前的助焊和潤濕的形成等考慮。
注三：IMC是英文Inter-Metallic Compound，金屬間化合物或金屬間合金的縮寫。
注四：實際應用上我們會使焊接溫度高於熔點許多（約20度以上）。目的是為了確保較好的潤濕能力。
注五：有關圖中的指標值和注解，讀者可以參照IPC/JEDEC標準J-STD-020C。
注六：錫膏的評估分庫存、可印性和可焊性評估三部份。這裏我們只談可焊性的關鍵部份。
注七：關於防潮管理，讀者可以參考JEDEC的標準J-STD-033。
注八：ENEG是採用無極電鍍Ni和Au層的技術，ENIG則是採用無極電鍍Ni和浸鍍Au的技術。這兩種技術在目前Ni/Au材料技術中較多被使用。尤其是ENIG的供應商較多。
注九：‘黑盤’指的是焊盤上出現發黑的現象。這問題一般是ENIG工藝中Ni層電鍍液的磷含量不對的原因（過多或過少都會，但原理不同，一是浸鍍Au工藝造成，另一是庫存期SnNi的IMC增長造成）。使Ni和SnPb焊點介面脆弱，斷裂後露出含磷高的‘黑灰’層面。