TW202126420A - 焊料膏組成物及包含其之焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本創作提供一種焊料膏組成物，其包含：100重量份之金屬粉末，及3重量份至18重量份的有機混合物；其中，該有機混合物包含溶劑、觸變劑和沸點小於該金屬粉末的熔點之有機酸。本創作另提供一種焊接方法，其於一基板及一待焊接物之間提供所述焊料膏組成物，以形成一複合結構；將該複合結構放置於通有一酸性氣體的一腔體中；以及熔融該焊料膏組成物的金屬粉末，以焊接該基板及該待焊接物。本創作的焊料膏組成物主要藉由低沸點的有機酸破壞金屬粉末表面的金屬氧化物膜，避免殘留的酸性物質持續腐蝕焊點，降低焊點的空孔率，提升焊點的焊接強度。

Description

焊料膏組成物及包含其之焊接方法
本創作係有關一種焊料膏組成物，尤指一種應用於印刷電路板製程的焊料膏組成物以及利用其之焊接方法。
近年來，為了滿足消費者對電子裝置的「輕、薄、小、高功能」等要求，包含在電子裝置中的印刷電路板（printed circuit board，PCB）也隨之輕薄化。因此，如何提升焊料膏與印刷電路板上的電子元件之間的結合強度使兩者的接觸部位縮小，而讓電子元件的微間距化得以實現也隨之成為研究發展的重點之一。
理論上，若欲將兩金屬焊接在一起，只要使其中一金屬達熔點以上形成液態狀即可潤濕另一金屬的表面，兩金屬再藉由彼此之間的金屬鍵而形成一連續的結合層；然而，因空氣中含有氧氣，大部分金屬會與氧氣形成一層金屬氧化物膜，導致兩金屬的界面僅能以很弱的凡得瓦力（Van der Waals force）鍵結而無法形成強金屬鍵，造成虛焊現象。
為了去除金屬氧化物膜，一般而言，焊料膏的成分須包含松香（rosin）及含有四級鹵化胺鹽的活性劑。松香成分含有松香酸，在低溫時腐蝕性不大，但在高溫時腐蝕性則會提高；此外，松香酸的羧基（carboxyl group，-COOH）會與四級鹵化胺鹽產生高腐蝕性的鹵化氫，例如氯化氫或溴化氫，因此能容易地侵蝕金屬氧化物膜進而移除之。而所產生的金屬鹵化鹽再跟松香酸反應生成如金屬羧酸鹽（metal carboxylate）等助焊劑殘渣，而讓鹵化氫得以再生。在移除金屬氧化物的過程會伴隨水蒸氣的產生，若水蒸氣被包在焊點內將形成空孔（void）。另外，若由松香和四級鹵化胺鹽產生的金屬羧酸鹽或其他殘餘有機物等助焊劑殘渣未排除到焊點外，亦可能會在焊點內形成空孔、增加界面電阻、降低熱傳導率、腐蝕焊點、降低焊接強度、降低元件信賴度以及元件壽命等。
於現有技術中，已有研究提出降低焊料膏中松香及活性劑的含量甚至不添加前述成分的焊料材料；例如，國際申請案第2015/146999號提出一種披覆的焊料材料，其係預先於經清潔之金屬粉末的表面上形成一層含碳化物的披覆層，可防止所述金屬粉末發生表面氧化，因此焊料膏不添加松香，仍能獲得良好的焊接結合性；然而，由於所述焊料材料需進行前處理，使得製程較複雜、製造成本大幅提升，不利於大規模生產。另外，日本發明專利第6281157號提出一種焊料膏，其僅包含金屬粉末、特定之觸變劑（thixotropic agent）及溶劑；為了去除金屬粉末表面的金屬氧化物膜，所述焊料膏被限定需與還原氣體搭配使用；然而，由於前述焊料膏不包含活性劑，當應用於大面積晶片的焊接製程時，金屬粉末會因發生在焊點最外圍的金屬氧化物膜已被還原而開始熔融，但因還原氣體不易滲透到焊點中心，因此焊點中心的金屬氧化物尚未被還原，最後導致焊點中心的焊接強度較差，降低所得之焊接製品的信賴度；此外，若還原氣體發生裂解而產生水蒸氣時，在焊點內仍會形成空孔。
有鑑於上述焊料膏組成物存在的技術缺陷，本創作之目的在於提供一種焊料膏組成物，其能符合製造成本效益，進而更具商業實施的潛力。
本創作之另一目的在於提供一種焊料膏組成物，其能降低焊點的空孔率，同時可去除焊點中心的金屬氧化物，進而使焊點具有良好的焊接強度。
為達成前述目的，本創作提供一種焊料膏組成物，其包含：100重量份之金屬粉末，以及3重量份至18重量份的有機混合物；其中，該有機混合物包含：溶劑、觸變劑和有機酸；該有機酸的沸點小於該金屬粉末的熔點。
本創作之焊料膏組成物藉由包含在常溫時已與金屬粉末混合的有機酸，因此無論焊點範圍大小，有機酸皆能均勻滲透至焊點各部分，充分破壞金屬粉末表面存在的金屬氧化物膜，進而避免發生焊接強度不均的問題。不僅如此，本創作之焊料膏組成物由於控制所述有機酸的沸點需小於金屬粉末的熔點且不須包含沸點大於300°C松香和四級鹵化胺鹽，因此所述有機酸於焊接製程後可完全氣化而不殘留於焊點中，除了不用擔心酸性物質殘留而引發焊點腐蝕的情況，還可降低焊點的空孔率。
較佳的，該焊料膏組成物包含100重量份之該金屬粉末，以及6重量份至15重量份的該有機混合物。
依據本創作，於該有機混合物中，以該溶劑的總重為100重量份，該有機酸的含量為0.005重量份至3重量份。較佳的，該有機酸的含量為0.01重量份至3重量份。
依據本創作，以所述焊料膏組成物的總重為基準，該有機酸的含量為0.5 ppm至4500 ppm。較佳的，以所述焊料膏組成物的總重為基準，該有機酸的含量為5 ppm至2500 ppm。
較佳的，該有機酸的沸點為95°C至180°C，但不限於此，當有機酸的沸點小於金屬粉末的熔點可實現本創作之有益效果。
在一些實施態樣中，該有機酸的pKa為1至6.5；較佳的，該有機酸的pKa為3至5；更佳的，該有機酸的pKa為4至5。具體而言，該有機酸可包括單元酸（即在所述分子內具有1個羧基之化合物）、二元酸（即在所述分子內具有2個羧基之化合物）或三元酸（即在所述分子內具有3個羧基之化合物），但不限於此。當該有機酸具有2個或以上的羧基時，只要至少1個羧基的pKa在前述範圍即可。舉例而言，所述單元酸可為甲酸（formic acid）、乙酸（acetic acid）、丙酸（propanoic acid）、丁酸（butyric acid）、己酸（hexanoic acid）等，但不限於此；所述二元酸可為草酸（oxalic acid）、反丁烯二酸（(E)-butenedioic acid）等，但不限於此；所述三元酸可為檸檬酸（citric acid），但不限於此。
依據本創作，所述金屬粉末的種類並未有特別限制，只要選用熔點低於欲連接的工件（例如銅基板和做為待焊接物之晶片）之熔點的金屬種類即可適用於本創作；較佳的，該金屬粉末包含錫（Sn）、銀（Ag）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉍（Bi）、鎳（Ni）、包含任一前述金屬元素之合金、或任一組合，但不限於此。在一些實施態樣中，以該金屬粉末的總重為基準，該金屬粉末包含佔4.5重量百分比（wt%）至96 wt%之錫。舉例而言，該金屬粉末可為鉛錫合金等含鉛合金、或錫銀銅合金等無鉛合金，但不限於此。前述無鉛合金係指鉛的含量為1000 ppm以下。
較佳的，該金屬粉末的熔點為190°C至300°C，但不限於此，當金屬粉末的熔點大於有機酸的沸點可實現本創作之有益效果。
依據本創作，本說明書所稱的「平均粒徑」係指以該種類的粒子的累積粒徑分布百分比達到50%時所對應的粒徑值，即為D50。具體而言，該金屬粉末的平均粒徑和粉末的外觀型態並沒有特別限制；較佳的，所述金屬粉末的平均粒徑為5微米（μm）至75 μm；更佳的，所述金屬粉末的平均粒徑為25 μm至45μm。
依據本創作，該溶劑的種類並無特別限制；較佳的，該溶劑於高溫中不會發生裂解，且不會與有機酸產生反應，舉例而言，可為醇類溶劑、醚類溶劑、或醇醚類溶劑等中性溶劑。在一些實施態樣中，該溶劑的沸點為150°C至330°C，但不限於此。若欲於焊接過程中使所述溶劑揮發殆盡，讓所得之焊接製品不需再進行水洗步驟，較佳的，該溶劑的沸點低於該金屬粉末的熔點，例如，該溶劑的沸點為150°C至260°C，但不限於此。舉例來說，該溶劑可為二乙二醇單甲醚（diethylene glycol monomethyl ether）、二乙二醇單丁醚（diethylene glycol monobutyl ether）、二乙二醇單己醚（diethylene glycol monohexyl ether）、三乙二醇單己醚（triethylene glycol monohexyl ether）、或二丙二醇單甲醚（dipropylene glycol monomethyl ether）等醇醚類溶劑，或是2-乙基-1,3-己二醇（2-ethyl-1,3-hexanediol）等醇類溶劑，但不限於此。
依據本創作，所述觸變劑的種類並無特別限制，該觸變劑包括醯胺系觸變劑、氫化蓖麻油系觸變劑、蓖麻油系觸變劑、或山梨糖醇系觸變劑，但不限於此。較佳的，以該溶劑的總重為100重量份，該觸變劑的含量為0.5重量份至5重量份。舉例而言，醯胺系觸變劑包含聚醯胺、硬脂醯胺（Stearamide）、N,N’-亞甲基二硬脂醯胺（N-[(octadecanoylamino)methyl]octadecanamide）、N-羥甲基硬脂醯胺（N-(hydroxymethyl)octadecanamide）等羥甲基醯胺、N-丁基脲（N-Butylurea）等，但不限於此；氫化蓖麻油系觸變劑包含氫化蓖麻油；蓖麻油系觸變劑包含蓖麻油；山梨糖醇系觸變劑包含山梨糖醇（sorbitol）、雙(對-甲基亞苄基)山梨糖醇（1,3:2,4-di-p -methylbenzylidene sorbitol）、三亞苄基山梨糖醇（tribenzylidene sorbitol），但不限於此。
本創作另提供一種焊接方法，其包含：於一基板及一待焊接物之間提供如前述之焊料膏組成物，以形成一複合結構；將該複合結構放置於通有一酸性氣體的一腔體中；以及熔融該焊料膏組成物的金屬粉末，以焊接該基板及該待焊接物。
本創作之焊接方法藉由使用前述焊料膏組成物並搭配導入酸性氣體步驟取代現有之包含松香的焊料膏組成物，而可大幅減少焊接製程後所產生的助焊劑殘渣，改善酸性物質殘留而引發焊點腐蝕的情況，同時可減省焊接製程後的清洗程序，不僅簡化整體製程，還可免除清洗程序所產生的廢水，既可符合環保需求也能降低製造印刷電路板的成本。
較佳的，所述酸性氣體的供氣壓力為700帕（Pa）至80,000 Pa。更佳的，所述酸性氣體的供氣壓力為1,300 Pa至20,000 Pa。
依據本創作，該酸性氣體可為有機酸氣體或無機酸氣體；具體而言，該有機酸氣體可包括甲酸氣體、乙酸氣體、丙酸氣體或丁酸氣體，但不限於此；或者，該無機酸氣體可包括氯化氫或溴化氫等，但不限於此。較佳的，該酸性氣體可包括乙酸氣體、丙酸氣體、丁酸氣體或氯化氫。
較佳的，所述焊接方法「於該基板及該待焊接物之間提供所述焊料膏組成物，以形成一複合結構」（以下簡稱為提供焊料膏步驟）之後，更包括一第一加熱步驟，所述第一加熱步驟的溫度係低於焊料膏組成物的金屬粉末之熔點；較佳的，所述第一加熱步驟的溫度為100°C至290°C。
為了使焊料膏組成物受熱更均勻、移除焊料膏組成物中的溶劑，所述第一加熱步驟可包含多階段升溫加熱；舉例而言，所述第一加熱步驟可包含2階段升溫加熱、3階段升溫加熱、4階段升溫加熱、5階段升溫加熱或6階段升溫加熱，但不限於此；從第2階段起，每階段的溫度都比前一階段的溫度高。
依據本創作，「將該複合結構放置於通有一酸性氣體的一腔體」的步驟，以下可簡稱為「導入酸性氣體步驟」。所述第一加熱步驟可於導入酸性氣體步驟之前進行，亦可與導入酸性氣體步驟同時進行。舉例而言，當所述第一加熱步驟係4階段升溫加熱時，所述複合結構可於完成4階段升溫加熱後再將複合結構輸送至通有酸性氣體的腔體；當所述第一加熱步驟係5階段升溫加熱時，所述複合結構可於完成前4階段升溫加熱後，所述複合結構可輸送至通有酸性氣體的腔體中並且同時進行第一加熱步驟的第5階段；當所述第一加熱步驟係6階段升溫加熱時，所述複合結構可於完成前4階段升溫加熱後，將所述複合結構輸送至通有酸性氣體的腔體中並且同時進行第一加熱步驟的第5階段，接著再進行第一加熱步驟的第6階段升溫加熱，但不限於此。
依據本創作，「熔融該焊料膏組成物的金屬粉末」，可簡稱為焊料熔融步驟。在一些實施態樣中，該複合結構係先放置於通有酸性氣體的腔體中，再進行焊料熔融步驟，例如，將該複合結構先放置於通有酸性氣體的腔體中並進行前述第一加熱步驟，之後再進行所述焊料熔融步驟。於所述焊料熔融步驟中，需使該焊料膏組成物的金屬粉末熔融，因此焊料熔融步驟的溫度不小於焊料膏組成物的金屬粉末之熔點。
在另一些實施態樣中，當該複合結構放置於通有酸性氣體的腔體時，同時將該焊料膏組成物的金屬粉末熔融，因此該通有酸性氣體的腔體之溫度可大於焊料膏組成物的金屬粉末之熔點，舉例而言，可為200°C至380°C。
依據本創作，所述複合結構可一次性或多次放置於通有酸性氣體的腔體中。為了使該酸性氣體與焊料膏組成物反應更完全，較佳的，所述複合結構係分階段多次放置於通有酸性氣體的腔體中，即多次進行導入酸性氣體步驟。舉例而言，所述焊接方法可包含兩次放置於通有酸性氣體的腔體的第一導入酸性氣體步驟及第二導入酸性氣體步驟，其中第一及第二導入酸性氣體步驟可連續進行，或其他步驟可在第一及第二導入酸性氣體步驟之間進行，使得第一及第二導入酸性氣體步驟被分隔。在一些實施態樣中，第一及第二導入酸性氣體步驟可皆與第一加熱步驟同時進行。在另一些實施態樣中，第一及第二導入酸性氣體步驟可皆與所述焊料熔融步驟同時進行。在另一些實施態樣中，第一導入酸性氣體步驟可與第一加熱步驟同時進行，且第二導入酸性氣體步驟可與所述焊料熔融步驟同時進行。
當導入酸性氣體步驟係與第一加熱步驟同時進行時，則表示通有酸性氣體的腔體之溫度低於所述金屬粉末之熔點，因此金屬粉末並不會出現熔融狀態。當導入酸性氣體步驟係與焊料熔融步驟同時進行時，則表示通有酸性氣體的腔體之溫度不小於所述金屬粉末之熔點，因此，金屬粉末將開始液化；然而，由於金屬粉末表面的金屬氧化物之熔點往往高於1000°C，致使金屬粉末的內部先液化，而表面仍維持固態；待酸性氣體和焊料膏組成物中的有機酸成分將金屬粉末表面的金屬氧化物破壞後，已呈液態的金屬粉末即出現熔融狀態。
依據本創作，所述焊接方法於所述焊料熔融步驟完成後，可更包括一冷卻步驟，以得到焊接製品。
以下，將藉由數種實施例示例說明本創作之焊料膏組成物以及包含其的焊接方法的具體實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本創作所能達成之優點與功效，並且於不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本創作之內容。
原料 1.溶劑A：二乙二醇單己醚，沸點：258°C； 2.溶劑B：2-乙基-1,3-己二醇，沸點：241°C至249°C； 3.溶劑C：二乙二醇單丁醚，沸點：171°C； 4.溶劑D：二乙二醇單甲醚，沸點：193°C； 5.溶劑E ：三乙二醇單己醚，沸點：321.2°C； 6.溶劑F：二丙二醇單甲醚，沸點：190°C； 7.有機酸I：甲酸，pKa：3.75； 8.有機酸II：乙酸，pKa：4.75； 9.有機酸III：丙酸，pKa：4.86； 10.有機酸IV：丁酸，pKa：4.82； 11.有機酸V：草酸，pKa1 ：1.38、pKa2 ：4.28； 12.觸變劑a：醯胺系觸變劑，聚乙二胺伸乙基羥基硬酯醯胺； 13.觸變劑b：醯胺系觸變劑，亞甲基雙硬酯醯胺； 14.觸變劑c：氫化蓖麻油系觸變劑，商品型號：Crayvallac MT； 15.觸變劑d：蓖麻油系觸變劑，商品型號：Crayvallac CVP； 16.觸變劑e：山梨糖醇系觸變劑，三亞苄基山梨糖醇； 17.金屬粉末i：錫銀銅合金，其所包含之錫、銀、銅的重量比為96.5：3：0.5，商品型號：SAC305，熔點：220°C，平均粒徑：25 μm至45 μm； 18.金屬粉末ii：鉛錫銀合金，其所包含之鉛、錫、銀的重量比為92.5：5：2.5，熔點：296°C，平均粒徑：25 μm至45 μm。
《焊料膏組成物》
首先，根據表1-1所示的含量配比（重量份），有機混合物1至有機混合物20係於反應槽中加入溶劑和觸變劑，形成一混合溶液；加熱所述混合溶液至50°C至80°C後，將其攪拌均勻；隨後，再加入適量之有機酸，並持續攪拌至混合均勻，得到有機混合物1至有機混合物20。其中，各有機混合物包含100重量份的溶劑，以及相對於100重量份的溶劑，含量為0.01重量份至3重量份之有機酸，以及含量為1重量份至3重量份之觸變劑。
其次，根據表1-2所示的含量配比，一邊將金屬粉末緩慢加入有機混合物中，一邊持續攪拌使有機混合物和金屬粉末均勻混合，得到一預混物；接著，將所述預混物填充至一膠筒中，再進行真空脫泡步驟，最後得到焊料膏組成物E1至焊料膏組成物E20。
以實施例1的焊料膏組成物E1為例：首先，於反應槽中加入100重量份之溶劑A和1重量份之觸變劑a，形成一混合溶液1；加熱所述混合溶液1至50°C後，將其攪拌均勻；隨後，再加入0.01重量份之有機酸I並攪拌至混合均勻，而得到有機混合物1。其次，從有機混合物1中取出相對於100重量份之金屬粉末i為7重量份之有機混合物1後，將100重量份之金屬粉末i緩慢加入前述7重量份之有機混合物1中，且持續攪拌至兩者均勻混合，得到一預混物1；接著，將所述預混物1填充至膠筒中，再進行真空脫泡步驟，最後得到焊料膏組成物E1。
實施例2至20的焊料膏組成物E2至焊料膏組成物E20採用與實施例1之焊料膏組成物E1相似的方式製得，其差異主要在於各成份的種類及其含量的不同。
比較例1至3作為實施例1至20的對照，其採用與實施例1至20之焊料膏組成物相似的方式製得，其差異主要在於比較例1至3所使用的有機混合物21至有機混合物23不包含有機酸的成份。具體而言，根據表1-1所示的含量配比（重量份），有機混合物21至有機混合物23係於反應槽中加入溶劑和觸變劑，形成一混合溶液，並加熱所述混合溶液至50°C至80°C後，將其攪拌均勻，而得到有機混合物21至有機混合物23。其中，各有機混合物包含100重量份的溶劑，以及相對於100重量份的溶劑，含量為1重量份至2重量份之觸變劑。其次，根據表1-2所示的含量配比，一邊將金屬粉末緩慢加入有機混合物中，一邊持續攪拌使有機混合物和金屬粉末均勻混合，得到一預混物；接著，將所述預混物填充至膠筒中，再進行真空脫泡步驟，最後得到焊料膏組成物C1至焊料膏組成物C3。
表1-1：有機混合物1至有機混合物23之成分和其配比(單位：重量份)
有機混合物 溶劑 有機酸 觸變劑
編號 種類 含量 種類 含量 種類 含量
1 A 100 I 0.01 a 1
2 B 100 II 0.05 b 2
3 C 100 II 0.1 c 3
4 D 100 II 0.1 d 2
5 E 100 III 0.1 e 2
6 F 100 IV 0.1 b 2
7 B 100 I 0.1 a 1
8 B 100 II 0.1 a 1
9 B 100 III 0.1 a 1
10 B 100 IV 0.1 a 1
11 B 100 II 0.01 a 1
12 B 100 II 0.05 a 1
13 B 100 II 0.2 a 1
14 C 100 II 0.1 a 1
15 D 100 II 0.1 a 1
16 A 100 II 0.1 a 1
17 E 100 II 0.1 a 1
18 C 100 V 0.5 a 2
19 B 100 I 1 a 1
20 B 100 I 3 a 1
21 B 100 - - a 1
22 A 100 - - a 1
23 D 100 - - b 2
表1-2：實施例1至20的焊料膏組成物E1至E20、比較例1至3的焊料膏組成物C1至C3之成分和其配比(單位：重量份)
焊料膏組成物 金屬粉末 有機混合物 有機酸
編號 種類 含量 編號 含量 含量(ppm)
E1 i 100 1 7 6.5
E2 ii 100 2 12 52.5
E3 ii 100 3 8 71.8
E4 ii 100 4 8 72.6
E5 ii 100 5 8 72.6
E6 ii 100 6 8 72.6
E7 i 100 7 7 64.7
E8 i 100 8 7 64.7
E9 i 100 9 7 64.7
E10 i 100 10 7 64.7
E11 i 100 11 7 6.5
E12 i 100 12 7 32.4
E13 i 100 13 7 129.3
E14 i 100 14 7 64.7
E15 i 100 15 7 64.7
E16 ii 100 16 7 64.7
E17 ii 100 17 7 64.7
E18 ii 100 18 8 361.3
E19 i 100 19 7 650
E20 i 100 20 7 1900
C1 i 100 21 7 0
C2 ii 100 22 8 0
C3 ii 100 23 8 0
《焊接方法》
試片製作：準備一銅基板（長：30公釐（mm）、寬：30 mm、厚度：300 μm）；分別將焊料膏組成物E1至E20、焊料膏組成物C1至C3以點膠方式塗佈於所述銅基板的表面，形成一長約為2 mm、寬約為2 mm、厚度約為100 μm至200 μm的焊料膏層；接著，蓋上一上片（相當於待焊接物），得到試片E1-1至試片E20-1、試片C1-1至試片C3-1。在外觀形貌分析中，所述上片為一玻璃片，其長為8 mm、寬為8 mm、厚度為150 μm；在空孔率分析中，所述上片為一晶片，其長為1.7 mm、寬為1.7 mm、厚度為150 μm；在推力分析中，所述上片為一晶片，其長為2.4 mm、寬為2.4 mm、厚度為200 μm。
接著，將各試片依序送入一雙腔體供酸回焊爐中進行焊接製程，最後得到焊接製品P1至焊接製品P24、焊接製品CP1至焊接製品CP6。其中，各試片依其所包含的焊料膏組成物的金屬粉末種類選擇表2-1所示的溫區（I）、表2-2所示的溫區（II）設定；當焊料膏組成物包含金屬粉末i，選擇溫區（I），當焊料膏組成物包含金屬粉末ii，則選擇溫區（II）。此外，於溫區（I）、（II）中，除了第5階段為第一導入酸性氣體步驟以及第7階段為第二導入酸性氣體步驟，其他各階段搭配的氣氛皆為101.3 Pa之氮氣和小於100 ppm的氧氣；試片於溫區中的各階段停留45秒。
當試片移至通有酸性氣體的供酸腔體時，需先關閉腔體、抽真空至小於133 Pa，以移除原先腔體內的氮氣；製備焊接製品P1至焊接製品P24、焊接製品CP1至焊接製品CP6所使用的試片編號、酸性氣體之種類和其供氣壓力如表3-1和表3-2所示；其中，同一實施例中的第一和第二導入酸性氣體步驟之供氣壓力和種類相同。
表2-1 溫區(I)各階段編號及其溫度
溫區 (I) 第一加熱步驟： 5 階段升溫加熱  
階段編號 1 2 3 4 5（供酸）  
溫度 (°C) 100 140 160 180 200  
  焊料熔融步驟 冷卻步驟
階段編號 6 7（供酸） 8 9 10 11
溫度 (°C) 240 260 150 20 20 20
表2-2 溫區(II)各階段編號及其溫度
溫區 (II) 第一加熱步驟： 5 階段升溫加熱  
階段編號 1 2 3 4 5（供酸）  
溫度 (°C) 100 160 200 230 285  
  焊料熔融步驟 冷卻步驟
階段編號 6 7（供酸） 8 9 10 11
溫度 (°C) 340 360 200 20 20 20
試驗例：焊接製品之特性分析
將焊接製品P1至焊接製品P24、焊接製品CP1至焊接製品CP6依照以下試驗方法分別進行各焊接製品的外觀形貌、空孔率、焊接強度等特性分析，並且將焊接製品P1至焊接製品P21、焊接製品CP1至焊接製品CP6的分析結果列於表3-1中，焊接製品P9、焊接製品P22至焊接製品P24的分析結果另列於表3-2中。
為確保特性分析的實驗意義，各焊接製品係由相同的試驗方法進行分析。是以，各焊接製品的特性差異主要係源自於各焊接製品之焊接製程中使用的焊料膏組成物、和/或酸性氣體的種類及其供氣壓力的差異所致。
試驗方法： 1. 外觀形貌：以放大倍率為50倍的光學顯微鏡觀察各焊接製品的融錫狀況，並將其結果列於表3-1和表3-2中；其中，若所述焊接製品的焊點之熔融面積比例大於90%，記為「○」，若所述焊接製品的焊點之熔融面積比例為大於或等於30%且小於或等於90%，則記為「△」，若所述焊接製品的焊點之熔融面積比例小於30%，則記為「X」。再進一步地，若所述焊接製品的焊點之熔融面積比例大於90%，再觀察所述焊點是否有明顯的空孔存在，並將其結果列於表3-1和表3-2中； 2. 空孔率：以X-ray從各試片正上方拍攝照片；若有空孔存在，則照片中的空孔區域呈現偏淡的顏色；再利用X-ray內建軟體分析各試片中所有空孔的總面積相對於晶片的總面積的比例，即能得到各試片的空孔率； 3. 焊接強度：利用數位式推拉力計（商品型號：SH-200，YOTEC儀器有限公司）進行推力測試。其中，根據JIS Z 3198-7標準方法，推刀與焊點的接觸位置為焊點厚度達1/3的地方（從焊料膏與銅基板的接觸介面起算），接著，對所述焊點施於水平推力，並紀錄所述焊點所能承受的最大推力。其中，若焊接製品的焊點能承受之最大推力大於20公斤力（kgf，1 kgf等於9.8牛頓（N）），則表示其焊接強度為「優良」；若焊接製品的焊點能承受之最大推力為大於或等於12 kgf且小於或等於20 kgf，則表示其焊接強度為「好」；若焊接製品的焊點能承受之最大推力為小於12 kgf，則表示其焊接強度為為「差」。
表3-1：製備焊接製品P1至焊接製品P21、焊接製品CP1至焊接製品CP6所使用的焊料膏組成物編號、酸性氣體種類及其供氣壓力，焊接製品P1至焊接製品P21、焊接製品CP1至焊接製品CP6的特性分析結果
焊接製品 焊料膏組成物 酸性氣體 外觀形貌 空孔率 推力
編號 編號 種類 供氣壓力 (Pa) 融錫 狀況 有無明顯空孔 (%) (kgf)
P1 E1 甲酸 5300 ○ 有 3.66 13.7
P2 E2 乙酸 5300 ○ 無 0.04 >20
P3 E3 丙酸 5300 ○ 無 0.25 >20
P4 E4 丁酸 5300 ○ 無 0.48 >20
P5 E5 乙酸 5300 ○ 無 0.25 >20
P6 E6 乙酸 5300 ○ 無 0.07 >20
P7 E3 氯化氫 5300 ○ 無 0.66 >20
P8 E7 乙酸 5300 ○ 無 0.34 >20
P9 E8 乙酸 5300 ○ 無 0.41 >20
P10 E9 乙酸 5300 ○ 無 0.38 >20
P11 E10 乙酸 5300 ○ 無 0.22 >20
P12 E11 乙酸 5300 ○ 無 2.85 14.2
P13 E12 乙酸 5300 ○ 無 0.12 >20
P14 E13 乙酸 5300 ○ 無 0.31 >20
P15 E14 乙酸 5300 ○ 無 0.33 >20
P16 E15 乙酸 5300 ○ 無 0.36 >20
P17 E16 乙酸 5300 ○ 無 0.46 >20
P18 E17 乙酸 5300 ○ 無 0.29 >20
P19 E18 乙酸 5300 ○ 無 0.64 >20
P20 E19 乙酸 5300 ○ 無 0.55 >20
P21 E20 乙酸 5300 ○ 無 0.47 >20
CP1 C1 乙酸 5300 △ -- 36 3.2
CP2 C2 乙酸 5300 △ -- 26 5.4
CP3 C3 乙酸 5300 △ -- 30 5.1
CP4 C2 無 0 X -- >80 >0.1
CP5 C3 無 0 X -- >80 >0.1
CP6 E18 無 0 X -- >80 >0.1
表3-2：製備焊接製品P9、焊接製品P22至P24所使用的焊料膏組成物編號、酸性氣體種類及其供氣壓力，焊接製品P9、焊接製品P22至P24的特性分析結果
焊接製品 焊料膏組成物 酸性氣體 外觀形貌 空孔率 推力
編號 編號 種類 供氣壓力 (Pa) 融錫 狀況 有無明顯空孔 (%) (kgf)
P22 E8 乙酸 1333 ○ 無 0.36 >20
P23 E8 乙酸 2000 ○ 無 0.41 >20
P24 E8 乙酸 2666 ○ 無 0.47 >20
P9 E8 乙酸 5300 ○ 無 0.41 >20
實驗結果討論
由表3-1的外觀形貌之評析結果可知，由於焊接製品P1至焊接製品P21係使用包含有機酸之焊料膏組成物E1至焊料膏組成物E20，並於焊接製程中包含放置於通有酸性氣體的腔體之步驟，因此可以使有機酸均勻滲透至焊點各部分，且全面地破壞金屬粉末表面的金屬氧化物膜，使得融錫狀況良好，整個焊點之熔融面積可高達將近100%。反觀焊接製品CP1至焊接製品CP3，因使用不包含有機酸之焊料膏組成物，因此即便在製程中導入並供應等量的酸性氣體，仍無法使焊點完全熔融。再觀焊接製品CP6，若僅使用包含有機酸之焊料膏組成物，但在製程中並未導入酸性氣體，仍無法使焊點完全熔融。
以焊接製品P1、焊接製品P2、焊接製品CP2和焊接製品CP4為例，請參閱圖1至圖4，圖1之焊接製品P1和圖2之焊接製品P2的表面大致是均勻且平整，尤其是焊接製品P2的表面，幾乎沒有空孔（即明顯白點）；然而，圖3之焊接製品CP2和圖4之焊接製品CP4的表面則相當不平整且充滿空孔。由此可證，本創作的焊料膏組成物能搭配一般市售的金屬粉末，而不需事先進行特殊的金屬粉末表面處理步驟，就能使焊點幾乎完全熔融。
另外，以焊接製品P2、焊接製品P3、焊接製品P7、焊接製品P19、焊接製品CP2和焊接製品CP4為例，請參閱圖5至圖10和表3-1的空孔率分析結果，可以明顯看出，當空孔率愈高，在X-ray拍攝的照片中，代表空孔的淺色區域（即呈螢光的區域）確實愈多。另外，由表3-1的空孔率和推力測試之結果可知，焊接製品P1至焊接製品P21的焊點皆具有小於4%的空孔率，且皆能承受大於12 kgf的推力。相較於傳統焊接方法最多僅能將焊點之空孔率降低至2%，本創作所得之焊接製品P2至焊接製品P11、焊接製品P13至焊接製品P21的焊點甚至還能具有小於1%的空孔率；據此足以證明，本創作的焊料膏組成物搭配本創作之焊接方法時，即便使用不包含松香與四級鹵化胺鹽的焊料膏組成物仍能讓焊點均勻熔融，且同時避免產生由松香與四級鹵化胺鹽衍生的助焊劑殘渣，進而大幅降低焊點的空孔率，使焊點能具有良好的焊接強度。
不僅如此，由製備焊接製品P2與焊接製品P7的焊接方法之分析結果可知，於導入酸性氣體步驟中，無論是導入有機酸或無機酸，皆能適用本創作之焊接方法，且皆能獲得包含空孔率低、焊接強度高的焊點之焊接製品。
另外，由表3-1中的焊接製品P8至焊接製品P11之特性分析結果可知，當焊料膏組成物中包含等量的甲酸、乙酸、丙酸、或丁酸，皆能使焊點具有空孔率低、焊接強度高的效果。
再者，綜合表1-2和表3-1的結果可知，當焊料膏組成物中的有機酸含量大於0.01重量份時（相對於100重量份之溶劑），例如焊接製品P2至焊接製品P11、焊接製品P13至焊接製品P21，其所形成之焊點能具有小於1%的空孔率，且能承受大於20 kgf的推力。
此外，由表3-2的分析結果可知，若酸性氣體的供氣壓力為1300 Pa以上時，皆能使焊點具有空孔率小於1%，且皆能承受大於20 kgf的推力之效果。
綜合上述分析結果可知，本創作的焊料膏組成物藉由包含低沸點的有機酸，除了可充分破壞金屬粉末表面的金屬氧化物膜、避免焊接強度不均，且所述有機酸於焊接製程後可完全氣化而不殘留於焊點中，因此不僅能避免殘留酸性物質腐蝕焊點，還可降低焊點的空孔率、提升焊點的焊接強度；另外，本創作的焊接方法因使用前述焊料膏組成物，而能減省焊接製程後的清洗程序，不僅可簡化整體製程，還可免除清洗程序所產生的廢水，既符合環保需求也能進一步降低製造印刷電路板的成本，進而提升其應用價值。
無。
圖1係以光學顯微鏡拍攝本創作之焊接製品P1的照片。 圖2係以光學顯微鏡拍攝本創作之焊接製品P2的照片。 圖3係以光學顯微鏡拍攝本創作之焊接製品CP2的照片。 圖4係以光學顯微鏡拍攝本創作之焊接製品CP4的照片。 圖5係以X-ray拍攝本創作之焊接製品P2的照片。 圖6係以X-ray拍攝本創作之焊接製品P3的照片。 圖7係以X-ray拍攝本創作之焊接製品P7的照片。 圖8係以X-ray拍攝本創作之焊接製品P19的照片。 圖9係以X-ray拍攝本創作之焊接製品CP2的照片。 圖10係以X-ray拍攝本創作之焊接製品CP4的照片。
無。

Claims (12)

  1. 一種焊料膏組成物，其包含： 100重量份之金屬粉末，以及3重量份至18重量份的有機混合物；其中，該有機混合物包含：溶劑、觸變劑和有機酸；該有機酸的沸點小於該金屬粉末的熔點。
  2. 如請求項1所述之焊料膏組成物，其中，於該有機混合物中，以該溶劑的總重為100重量份，該有機酸的含量為0.005重量份至3重量份。
  3. 如請求項1所述之焊料膏組成物，其中，該有機酸的pKa為1至6.5。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之焊料膏組成物，其中，該有機酸包含甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、或草酸。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之焊料膏組成物，其中，以該金屬粉末的總重為基準，錫之含量為4.5重量百分比至96重量百分比。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之焊料膏組成物，其中，該溶劑包括醇類溶劑、醚類溶劑或醇醚類溶劑。
  7. 如請求項1至3中任一項所述之焊料膏組成物，其中，該觸變劑包括醯胺系觸變劑、氫化蓖麻油系觸變劑、蓖麻油系觸變劑、或山梨糖醇系觸變劑；以該溶劑的總重為100重量份，該觸變劑的含量為0.5重量份至5重量份。
  8. 一種焊接方法，其包含： 於一基板及一待焊接物之間提供如請求項1至7中任一項所述之焊料膏組成物，以形成一複合結構； 將該複合結構放置於通有一酸性氣體的一腔體中；以及 熔融該焊料膏組成物的金屬粉末，以焊接該基板及該待焊接物。
  9. 如請求項8所述之焊接方法，其中，該酸性氣體的供氣壓力為700帕至80,000帕。
  10. 如請求項9所述之焊接方法，其中，該酸性氣體包括甲酸氣體、乙酸氣體、丙酸氣體、丁酸氣體、或氯化氫。
  11. 如請求項8所述之焊接方法，其中，該焊接方法於該基板及該待焊接物之間提供所述焊料膏組成物之後，更包括一第一加熱步驟，所述第一加熱步驟的溫度係低於該焊料膏組成物的金屬粉末之熔點。
  12. 如請求項8所述之焊接方法，其中，該通有酸性氣體的腔體之溫度為200°C至380°C。
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