介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識

介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識錫膏是現在科技進步不可或缺的材料之一,它被用來焊接電子零件於電路板上,讓我們有機會享受日新月異的電子產品。也因為有錫膏的發明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可以變身為口袋裝得下的智慧型手機。

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還真有點像,在融錫焊接以前,它可以用來黏住放在電路板表面的電子零件,讓些零件既使在些微的振動下也不至於移動位置;當然其最大的作用就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,還有些什麼其他的東西在裡面嗎?







錫膏的成份主要可以分為助焊劑(flux)錫粉(powder)兩大部分。

錫粉(Powder)

錫粉也就是金屬合金,主要用途在體現焊接的強度,其主要成份包含有下列幾種:

  • 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。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。

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,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,這些公也標準規範外的規格可能各家錫膏製造商之間就會有些許差系,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,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。

錫粉越小越容易氧化,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。

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反而可以防止錫膏在還沒正式印刷於電路板前就自相融合在一起了。因為相同的金屬擺放在一起會產生互相融合的問題,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)

image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。

而「助焊劑」的用途與主要功能則在去除金屬表面的氧化物東西,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、水等成份。這些溶劑在錫膏的預熱過程中就蒸發掉了,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,讓助焊劑的塗佈可以更均勻,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,用以控制錫膏的黏度,增強錫膏的抗坍塌性,讓錫膏印刷於電路板後仍能保持原有的形狀不至於攤它致造成短路。

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。


延伸閱讀:
迴流焊的溫度曲線 Reflow Profile
如何挑選錫膏 (Solder paste selection)
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)

訪客留言內容(Comments)

G6 15- 5um (Type6)

不好意思熊大想請教一下

如果錫膏在沒有flux的情況下

還能夠有自我對位的功能嗎?

Bryan;
助焊劑的主要功能在去除金屬表面的氧化物及髒東西,而且在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。所以你問說「如果錫膏在沒有flux的情況下,還能夠有自我對位的功能嗎?」,在回答這個問題前你必須先解決焊接不良(de-wetting或non-wetting),而不是能不能自我對位的問題。
好吧!再來看看零件自我對位是如何產生的,這是因為錫的內聚力,而且必須要確定融錫的情況下,還必許確認零件的重量可以讓錫抬起來的情況下,這個跟錫膏有沒有Flux沒有太大的關係,因為Flux在錫膏融化前就應該已經揮發光了才對。

歐 了解了!!
所以如果使用鎳金這種不易氧化的材質
並且在氧含量低於50ppm或者真空的環境下作業
Flux的需求可以被忽略這樣嗎?

感謝熊大~~

Bryan;
所以你還是沒有完全了解Flux的功用,我不認為Flux可以被忽略,既使在如您所說使用鎳金並且在殘氧量低於50ppm或者真空的環境下作業。
因為所有表面處理的表面或多或少都會殘留外來污染物質,只是你可能看不到而已,這些物質都會影響到銲錫性。
錫膏如果開封後太久Flux揮發了,就是吃不了錫。

是這樣的 因為我們有向廠商詢問過
現在有些廠商有座preform型態的錫片
他是告訴我們在製程當中並不需要flux而且錫片上也沒有參
所以可能還要在進行這方面的測試
感謝您~!!

Bryan;
Preform沒有Flux就類似電阻電容端點的表面處理類似,只要印刷在板子焊墊與焊腳上的錫膏有助焊劑就可以了,因為Flux要清潔的是電路板的焊墊與零件的焊腳。

感謝熊大您的解答~~~~

雄大您好,想請問一下錫膏的演變歷史,以前是什麼工法又因什麼原因漸漸演變成使用錫膏來焊接電子零件於電路板,或是有那裡有相關資料可以查詢嗎?
感恩!

CHE;
這個我也不知道,只知道最先開始是波焊,後來才有SMD及錫膏出現。
這個從IC封裝及電阻、電容、電感的發展也可以看得出來。

站長你好,

想請問一個問題,我們工廠常常會遇到flux於迴焊爐中揮發後,但是一出爐,溫度驟降後,flux會冷凝並且凝固在電子零件上的問題;我的想法是,究竟flux到底會不會出現這樣的狀況。

給予你幾項資訊才好清楚狀況:
1.我們產品都是手持式裝置
2.冷凝後的flux顏色居多是透明
3.目前解決方案大多為透過修改鋼板孔徑(多是改小)

感謝您的回覆

Archie;
Flux本來就是透明的,如果摻有雜質會變成土黃色,這個可以從手焊的零件用反光看得出來焊接腳的旁邊有一片透明的物質,就是Flux。
由於不知道你所碰到的flux有多嚴重?或多頻繁?有無一致性?所以只就了解說明。
一般flux的沾污來自吸風口或回焊爐頂部累積過多Flux後滴下,這個通常會是一坨,所以一段時間之後就要清潔一次錫爐。
另外的flux沾污來自高溫時揮發太過急速而噴濺到鄰近的地區,修改鋼板讓同一個區域錫膏內的flux得已有適當的路徑可以揮發是一個方法,另外也可以調整爐溫的昇溫速度或選用不同成份組成的flux錫膏因應。

您好,我是高中應屆畢業生,自然組,暑假期間從事翻譯寫作,目前正在翻譯維基百科Solder條目,有許多專業領域的概念不甚了解,請問版主是否能私下撥冗回答一些問題,或者協助翻譯工作呢?

放暑假的學生,
難得高中畢業生有興趣翻譯維基百科的Solder條目,值得嘉許。
你可以在部落格的右上角發現電子郵件圖示,點下去就可以發送郵件給我了。
或是在Facebook找『工作熊』,建議先email給我,
因為工作熊是個上班族,不一定有時間即時回答問題,所以不便加即時通或電話之類通訊。

不好意思熊大想請教一下
錫膏採用點膠針筒方式點出塗佈 , 如何讓出錫量穩定 , 有這方面之經驗可以分享嗎? (針口內直徑0.203或0.254mm) 感謝您

Ian;
Sorry!沒有這方面的經驗。
從點膠的經驗來看,建議可以使用機械式推擠錫膏來取代氣壓式,因為氣壓式通常不穩定。錫膏的黏度也是影響出錫量的因素,如果錫膏不能一次用完,其中的助焊劑就可能揮發,造成黏度上升,另外環境濕氣也會影響。

感謝您的回覆, 目前個人觀察下判定應該是錫膏(水洗錫膏)內部所包含的氣泡大小, 造成出錫不穩定與無出錫之原因 .
除脫泡機外是否有其他的方法可排除氣泡的經驗分享 ?

Ian;
從你的回答似乎錫膏是自己填裝於針管,如果是這樣真的不建議。市面上有賣填好的針管的錫膏會比較沒有問題。
如果已經是廠商填好錫膏的針管有氣泡問題,請直接找供應商解決。

hi~不好意思 想請教一下 您裡面列出的助焊劑成分加起來約90%, 那剩下10%是一些 什麼成分呢~再麻煩協助解答~~感謝

小粉;
這個說真的我也不知道,要知道的話,我只要靠著賣配方就可以財源廣進了,何必在這裡苦哈哈寫部落格,而且各家配方也都不一樣。

你好 我想請問 如果我周遭的材質是oxide
且我的回焊爐是沒有氮氣的 是否會造成錫膏熔融有問題以至於成球不良?

陳建宏,
你的問題所提供的資料太少了,所以難以回答。
你的oxide是焊墊氧化?還是氧化物材質?
你的成球是BGA與PCB焊墊的吃錫成球?還是單獨要在BGA成球?
焊錫本身具有內聚力,如果沒有外物(氧化物質)與重力的干擾,本身可以形成完美的錫球,如果是焊接於PCB的焊墊,則形成一個漂亮的弧度,如果有氧化物質進到了焊錫之中,就會破壞其內聚力,視影響的多寡會影響其弧度。

拍謝 雄大

我是周遭材質為氧化物 並且要在焊墊上單獨成球 感謝你精闢的解答

另外想請問一個關鍵問題: 錫球內聚力的產生方式是如何運作? 假設我的錫膏刷偏了 , 錫是會以中心當做原點而聚集嗎? 盼望指正 謝謝

陳建宏;
錫球的內聚力必須跟外界接觸的介面的附著力來做比較,當附著力大於內聚力會呈現向外擴散的情形,反之則內縮。
一般錫膏刷偏會以錫膏本身內聚力與焊墊金屬的附著力來互相影響,可能需要瞭解各自的表面能。

1.錫膏擴散性其要求標準為多少?
2.其擴散性所指的意思為何?

Penny,
Sorry!沒有錫膏擴散性的資料。

熊太
您好 , 請問導電膏的耐溫度會不會因為品牌不同而不同?
請撥冗回覆 謝謝

Jessie,
個人沒有研究導電膏,但建議你應該要看一下各家導電膏的規格書來確認耐溫。

1. 錫擴散性是沒有標準的,這只是錫膏能力的一個參數指標。

2. 可以參考擴散性試驗TM-650 2.4.46 spread test

請問使用錫膏將電容跟電阻焊接一起, 焊接處的錫內部會有松香的殘留嗎?

Marian,
回答有點晚,請見諒!
你的問題其實不容易回答,因為每個情況都不一樣,可能會有松香殘留,也可能沒有,松香殘留關係到你使用何種錫膏,或何種錫絲,用了多少的量,焊墊大小,焊墊與焊墊間的距離,加熱的溫度與時間長短等都有關係。
其實,應該問自己松香殘留對你的產品會造成什麼影響?需不需要清洗松香?


訪客留言注意事項:
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上,請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言,與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言,請善加利用【搜尋框】尋找相關文章,找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章,自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容,工作熊不一定會瞭解你在說什麼,就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度,工作熊不是你的「細漢」,更沒有拿你的薪水,所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 歡迎您訂閱本部落格的最新文章,當有新文章時會主動以電子郵件通知你。

您有話要說(Leave a comment)

(required)

(required)