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深入了解錫膏(solder paste)及助焊劑(flux)組成對電子組裝的品質影響

錫膏(Solder paste)是現代化科技進步不可或缺的重要材料之一，它被用來焊接電子零件於電路板(PCB)上，讓我們有機會享受日新月異的科技產品。

也因為有錫膏的發明才間接促成了電子組裝科技的極小化，讓原本大如磚頭的大哥大黑金剛手機可以變身為口袋裝得下且功能超多的智慧型手機。

而錫膏之所以被稱之為「膏」，則是因為它跟我們每天拿來刷牙的牙膏在型態上很相似，在融錫未焊接以前，其「膏」狀可以用來黏住放置於電路板表面的電子零件，讓這些零件即使在些微的振動下也不至於偏移位置；當然其最大的作用是用來將電子零件焊接於電路板，達到電子訊號連通的目的。

可是你知道在你平常看到的這些錫膏，其主要成份除了「錫」之外，另外還有些什麼其他的東西隱藏在裡面嗎？

錫膏的主要成份：助焊劑與錫粉

錫膏的成份主要由助焊劑(flux)與錫粉(powder)兩大部分組合且完全混合而成，下面工作熊將大致分別說明這兩種成份的內容與注意事項：

錫粉（Powder）

錫粉也就是金屬合金，主要用途在體現可焊性與焊接的強度，其主要成份包含有下列幾種金屬：

• Sn(錫 )
• Ag(銀)
• Cu(銅)
• Bi(鉍)

錫粉會因為不同錫膏的編號而有不同成分及比率組成，但既使是相同的編號但廠牌不一樣，其成份也會有些許的不一樣，有些可能是為了避開專利，有些則是自己的獨門秘方。

相關延伸閱讀：錫膏中添加銅銀鋅銻鉍銦等微量金屬的目的為何？

以目前最多人使用的SAC305為例，就是使用錫(Sn，96.5%)、銀(Ag，3%)、銅(Cu，0.5%)比率的錫膏；而SAC0307，則是使用錫(Sn，99%)、銀(Ag，0.3%)、銅(Cu，0.7%)比率的錫膏。

其次，還有低溫錫膏採用SnBi或SnBiAg合金。SnBi合金的錫(Sn,42%)、鉍(Bi,58%)熔點為138°C，而SnBiAg的合金則是(Sn,64%)、鉍(Bi,35%)、銀(Ag,1%)熔點為178°C。

相關延伸閱讀：焊接採用無鉛低溫錫膏SnBi, SnBiAg的目的？

另外，針對銅基地的電路板（OSP, 裸銅板），有些錫膏廠商會特別加入少許的【鎳(Ni)】來抑制並減緩原本生成良性Cu₅Sn₆的IMC隨著時間推移漸漸轉變為劣性Cu₃Sn的IMC。如果想更進一步了解何謂IMC請參考【PCB焊接強度與IMC觀念】一文。

錫粉除了成份不一樣之外，錫粉的顆粒大小也有不同的選擇，而且根據不同的錫粉大小給出了錫粉的編號，可是這個錫粉大小的編號老實說並沒有完全統一，只是各家廠牌大概都使用號碼越小的顆粒越大的默契。

錫粉的編號及直徑尺寸大致如下，下表依據【IPC J-STD-006A】規範，但其B版文件以後已取消此錫膏的直徑規範，改參考【IPC J-STD-005】，所以下面的表格有可能不是最準確的，僅供參考。

另外各家錫膏供應商其實也會有工業標準外的其他錫粉編號，比如說為了因應客戶的特殊需求而有Type4.5或Type7、Type8，這些公司在標準規範外的規格可能因各家錫膏製造商不同而有些許差異，詳細的規格可能就要詢問各自的錫膏供應商了。

編號	None Larger than	Less than 1% Larger than	80% Minimum Between	10% Maximum Less Than
1	160um	150um	75～150um	20um
2	80um	75um	45～75um	20um
3	50um	45um	25～45um	20um
4	40um	38um	20～38um	20um
5	30um	25um	15～25um	15um
6	20um	15um	5～15um	5um

錫粉的直徑越小，基本上落錫量就越好。因為顆粒小就越容易滾落下鋼板的開口(aperture)，也就是說越容易透過鋼板印刷於電路板上，而且較不易殘留於鋼板上的開口邊緣，有助提高細間距零件的印刷能力，也比較能夠獲得一致性的錫膏印刷量；而且較小的錫粉也較能提高其耐坍塌性，潤濕的效果也較好。

但錫粉越小也越容易氧化，可能需要輔以氮氣(N₂)來降低其氧化的速度達到良好的吃錫效果，尤其是使用5號以上焊接大焊墊的零件（如屏蔽框）時。這是因為錫粉越小，其與空氣接觸的面積就越大，所以也就越容易氧化。所以挑選錫膏時並不是錫粉的顆粒越小就越好，而是要視產品的需求來決定，而且還得規定錫膏顆粒的均勻度。

有網友提問為何錫粉越小，其表面積與空氣接觸就越大呢？我們可以假設錫粉排列成一個4r(寬)x8r(長)x4r(高)的方塊，這個方塊剛好可以放進去直徑r的錫粉共16顆，而可以放入直徑2r的錫粉則只會有2顆。分別計算直徑r與2r錫粉的表面積可得：

直徑r的錫粉總表面積 = 16 x 4πr² = 64πr²

直徑2r的錫粉總表面積 = 2 x 4π(2r)² = 32πr²

所以在同樣體積的容器內（同樣鋼板的同一開孔），錫粉越小的總表面積就會越大，也就越容易氧化。

一般SMT貼焊時大多採用3號錫粉，而細間距或小型焊墊的貼焊則採用4號錫粉。Type5及Type6的錫粉通常用在【Flip Chip】或【CSP】的bump上。錫粉的價錢也是越小越貴，因為越不容易製造出來。

我們雖然不希望錫膏有氧化的現象，但錫膏再怎麼處理還是會有些氧化的殘留，尤其是在金屬顆粒表面上的些微氧化，還好我們反而可以利用這些微氧化來防止錫膏在還沒正式印刷於電路板前就自相融合在一起。因為相同的純金屬擺放在一起會產生互相融合的問題，這就叫作「物以類聚」吧。

氧化基本上有三要素：溫度、空氣、水。

錫粉的外形有球形及橢圓形兩種，球形印刷適用範圍廣，表面積小，氧化度低，焊點光亮；橢圓形則較差。

助焊劑（Flux）

助焊劑其實就是將錫膏變成膏狀的最大推手，因為助焊劑內含溶劑可以將所有的物質混合在一起成為膏狀。

建議延伸閱讀：電路板焊接後為何要水洗？水洗製程、免洗製程有何差異？助焊劑的種類

而「助焊劑」的用途與主要功能則在去除金屬表面的氧化物及髒東西，而且於高溫作業時可以在金屬的表面形成薄膜以隔絕空氣，讓錫膏不易氧化，其組成主要包括下列四種成份:

• 樹脂松香：40~50%。
  可分成天然樹脂(Rosin)或是人工合成的松香(Resin)，通常有鉛錫膏使用Rosin，而無鉛錫膏採用Resin，松香可以在被焊金屬的表面形成保護層以隔絕空氣，所以可以防止氧化，帶有黏性，略具清潔金屬表面的能力。
• 活性劑(activator)：2~5%。
  主要成分為有機酸、鹵素，具有強力清潔金屬表面的能力，常用於回流焊過程中作為清潔劑之用，可溶解金屬表面的氧化物，提高焊接效果。鹵素具有劇毒，為符合現今的環保需求，無鹵錫膏已經是一種趨勢，只是其去氧化能力超強且便宜，所以現在還是經常被使用於某些錫膏當中。
• 溶劑(solvent)：30%。
  包含乙醇等成份。這些溶劑在錫膏的預熱過程中就會蒸發掉了，所以並不會影響到整個錫膏的焊錫性，它可以幫助溶解並混合助焊劑中的不同化學物質，讓助焊劑可以更均勻的塗佈於錫粉之中，提昇助焊劑的效果，它也讓助焊劑更易於受到人們的掌握，可以用來控制錫膏的黏度及流動性。如果回焊的預熱溫度升溫太快，可能會立即煮沸這些溶劑並造成錫膏噴濺的問題。
• 增稠劑(rheology modifier)：5%。
  提供觸變性（thixotropy）或搖變性，用以控制錫膏的黏稠度達到膏狀的目的，增強錫膏的可印刷性與抗坍塌性，讓錫膏印刷於電路板後仍能保持原有的形狀不至於坍塌以致造成焊錫短路。

另外，還有一件事必須提醒您的，錫膏如果以重量來計算其比率，錫粉與助焊劑的比率大約90%:10%，因為錫粉比較重；但是如果以體積來計算其比率，則錫粉與助焊劑的比率大約50%:50%，這個會影響到焊接後錫膏量的計算，也就是說一份錫膏經過回流焊後就只會形成約0.5份的焊錫。

建議閱讀：一圖說明SMT通孔回流焊(PIH)製程的印刷焊錫量如何計算

延伸閱讀：
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低溫錫膏製作HotBar焊接的可行性評估
如何將錫膏印刷於電路板(solder paste printing)
如何挑選一支適合自己公司產品的錫膏 (Solder paste selection)