软銲

软銲(soldering)是一种现代工艺常见的连结技术,尤其在电子产品中更是扮演了重要的角色。它是利用一种较低熔点的金属,把两种不同的基材连结在一起的「銲接」技术。

中国古代銲接技术

在汉代班固所撰的《汉书》中,已有「胡桐泪盲似眼泪也,可以汗金银也。今工匠皆用之」。其中所指的「汗」就是「銲」。

现代銲接的技术种类很多,主要可以分为软銲、硬銲(brazing)与熔接(welding)。硬銲与软銲较为接近,都是使用较低熔点的材料连结不同的基材。这种用于连结的低熔点材料,称为銲料(solder或braze)。软銲所用的銲料熔点较低,通常低于摄氏400度。软銲与硬銲的加工温度高于銲料的熔点,但是低于待连结材料的熔点。在加工的过程中,銲料熔融成为液体,与待连结的基材接触湿润,冷却后銲料凝固使基材连结在一起,成为不可分的一体。

由大陆曾侯乙墓出土,并被列为商周十大青铜器精品的「尊盘」,已可见到銲接技术约在战国早期的充分利用。尊和盘是两件器具,尊用来盛酒,盘则用以装水或冰,其用途是为了冷酒或冰酒。尊有34个组件,经过56处銲接;盘则有38个组件,经过44处銲接而成。所用组件与銲接点的数量之多,非常少见。

在出土的汉朝古墓中,也发现了銲接的古铜镜。在西元前3600年的古埃及人,已使用锡銲接的银摆设、银銲接的管子、铜钵的银把手,以及金銲接的护符盒,且在图坦卡门(Tutankhaumen)法老的古墓内发现保存良好的銲接艺术品。西元79年的古罗马,在被火山爆发埋没的庞贝城中曾发现用锡铅銲接的家用铅製水管。

软銲所用的銲料与待连结的基材,通常以金属为多。金属的表面常会形成氧化物而妨碍软銲的进行,因此在软銲的製程中,通常需要引进助銲剂(flux)去除氧化物并使表面洁净,以让软銲的程序得以完成。

明代方以智所撰《物理小识》提到「銲药以硼砂合铜为之,若以胡桐汁合银,坚如石。今玉石刀柄之类銲药,加银一分其中,则永不脱。试以圆盆口点銲药于其一隅,其药自走,周而环之,亦一奇也」。这一记述明确指出了铜的銲接应以硼砂做为助銲剂,而银的銲接可以使用胡桐树脂为助銲剂,并且对銲料的填缝行为做了非常精彩的描述。

直到整个中世纪,銲接技术前进的脚步十分地缓慢,宝石饰品等的连结仍是主要的应用。随着19世纪的工业革命,銲接技术开始蓬勃发展。这时候的銲接应用,主要是关于容器的密封、一些金属的连结,以及水管组装。

从20世纪起,软銲技术开始融入电子产业。在电子产品的应用当中,除了把基材机械性地连结在一起外,通常尚需同时保有电路的连结。软銲的技术有效地提供电子元件间所须的机械固定、电能传送、讯号传递等需求,尤其是在製程上相对的简易与价格上相对的便宜,历经半世纪的发展,软銲已成为电子产品中最主要的连结技术。

电子产品的銲接技术

一般的电子产品,除了输出、输入与电源部分外,都会有控制整个产品功能的印刷电路板或卡,例如电脑主机板与主机板上的元件。在主机板的印刷电路板上有着各式各样的电子元件,这些电子元件都是使用软銲的技术形成銲点,把它们连结在印刷电路板上。

全世界每年电子产品中銲点的数目,不可胜数,而銲点品质的良窳与电子产品的可靠度息息相关。一般电子产品不良的问题,除了不当使用的原因之外,銲点的破坏与失效是最主要的原因。因此随着电子工业的蓬勃发展,软銲技术更形重要,对銲点的分析与探讨也更加受到关注。

软銲的工业製程可以分为迴銲(reflow soldering)、波銲(wave soldering),以及人工使用的电烙铁(solder iron)銲接。迴銲的製程是先使印刷电路板上架,接着依序摆置銲料及待连接的电子元件,再使这组合通过迴銲炉,把銲料熔化,銲汤湿润上下基材,当这组合离开迴銲炉后,銲料冷却就形成接点。

波銲则是先使銲料在锡炉内熔融,把电子元件置于印刷电路板上,先通过助銲剂的熔炉,接着通过锡炉,銲汤湿润界面后,冷却形成接点。这个製程之所以称为波銲,在于为了确保在短暂时间内有足够量的銲汤进入接点,并且迅速湿润基材,因此锡炉中有产生波浪的装置,以达到最佳的连接效果。随着製程的不同,銲料的型态也略有不同,大致上可以分成銲条、銲膏、銲线等。

目前銲接技术的挑战

銲接技术已发展了数千年,但是随着不同应用的拓展,各种问题仍然持续发生。软銲在科学与工业应用上,仍然是非常具有挑战性的主题。1998年美国太空总署(NASA)所发射的轨道卫星Galaxy IV发生故障,经过调查后发现卫星的两个控制处理器都已损坏,其中一个控制处理器的故障原因,是由一条宽度比头髮还要细的锡鬚所造成的。

锡鬚是细长针状的锡结晶,若是达到一定长度而与其他接脚接触,会造成元件的短路。锡鬚一般认为是内部压缩应力及表面氧化所造成的,它的成长是释放应力的管道,我们可以想像成麵条由撑满麵糰的塑胶袋破洞中挤出来的情形。卫星的造价十分昂贵,却会因为銲点的问题而付之一炬。也难怪美国太空总署会设立一个专门讨论金属鬚的网站,以提供这类的资讯。

软銲目前所遭遇到的技术上的挑战,最主要是新材料的引进。长久以来,软銲中所用到的銲料都是以锡铅合金为主,因为它有熔点低、性质优良、价格低廉等优点。然而铅具有毒性,近年来开始有禁用或限制使用的呼声。

欧盟议会通过了RoHS(Restriction of Hazardous Materials)法案,规定成员国必须在2006年7月1日以后禁止大部分铅的使用。日本的JEIDA(Japanese Electronic Industry Development Association)也订定出无铅銲料的使用时程,规定有铅銲料在2005年以后只能用在部分特例上。之后许多国家相继跟进禁铅的计画,也宣告无铅銲料时代的来临。

无铅銲料的要求对各项产业带来非常大的冲击,因此发展国家非常重视无铅銲料的研究,纷纷订定各自的发展计画,期望可以找到适当的无铅銲料,把冲击减到最低。
美国的NCMS (National Center for Manufacturing Sciences)、NEMI(National Electronics Manufacturing Initiative)、欧盟的BRITE-EURAM、日本的NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)等机构,各自提出多种不同合金组成的銲料,例如Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Cu等,而目前最被看好的銲料,则是以锡银铜合金为主的无铅銲料。

无铅銲料的开发与研究是目前非常热门的议题,新组成的銲料必须有良好的性质。另一方面,以工业的角度来看,低成本并且与旧有设备有良好匹配性的銲料也是非常重要。

除了新材料的挑战外,软銲技术随着电子产品往更小、更轻、更薄的方向发展,在技术上也不断地推陈出新。如从1990年中期起,面积阵列式构装开始发展,採用面积阵列式构装的组件,是把组件底部的所有面积与电路板进行连结。最常见的面积阵列式组件是球栅式阵列构装,最初是由摩托罗拉公司在西元1989年量产上模压成型塑胶载体球栅阵列构装而揭开序幕。

球栅阵列式构装主要以小颗粒銲球做为组件与电路板间的连结,銲球可提供较短的电流传递途径,如此会产生较小的电感,降低讯号的衰退,进而改善整体线路的性能。

近年来覆晶技术的发展,更使得软銲技术层次更加地提升。在以往电子产品中,软銲是用在已封装完成的电子元件与基板间,而目前的覆晶技术则是直接用在积体电路与基板的连接。

覆晶製程首先由IBM在1962年推出,主要应用于陶瓷基板上做为固态逻辑技术。在1970年,IBM把这项技术开发成IC所用的连接技术,称为C4的技术。积体电路晶粒与基板的连结,是以晶粒上的銲料凸块和在基材上的连接材料所形成的电路连结。目前覆晶技术炙手可热,是正值大放异彩的构装技术,已有不少相关产品出现在市场上,未来几年必定能看到更多的覆晶接合产品。

电流通过銲点的效应,也是软銲面临的重要课题。电流的效应主要有焦耳热效应、电迁移效应、电流聚集效应等。电迁移是金属原子在电场作用下产生迁移的现象,原子的移出会形成孔洞,而多余的原子移入累积会造成突起。孔洞与突起的成长会影响导线短路或断路,导致元件失效。

电流通过所产生的焦耳热效应,提高了銲点的温度,因为銲料主要是低熔点的金属,升温会显着加速銲点中的界面反应。而电迁移效应与电流聚集效应的加入,使得銲点的界面反应与微结构变化更加複杂与难以预测。在电子产品轻薄短小的潮流下,銲点与导线的尺寸不断下降,通过的电流密度也随着增加,更使得电流效应愈形重要。对软銲銲点的探讨,尤其是电流效应的研究,同时充满着探讨未知的学术趣味与工业应用上的重要性。

软銲技术历经数千年的发展,横跨青铜器时代、古埃及,到现代历久不衰。尤其从20世纪开始,成为电子产品的最主要连结技术,对人类文明的发展更有着重要的影响。电子产品科技日新月异,使得软銲技术持续提升。近年来环保意识抬头,无铅銲料的转换已对製程造成很大的冲击。电子产品轻薄短小化的发展,则使电流效应更显着地影响銲点的可靠性。如此古老的软銲技术,却在当今高科技工业上大量应用,并在科学上持续有新的挑战,实在是令人惊叹。

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