TWI465312B - 追加供應用無鉛焊料及焊浴中之Ｃｕ濃度及Ｎｉ濃度之調整方法 - Google Patents

Description

追加供應用無鉛焊料及焊浴中之Cu濃度及Ni濃度之調整方法

本發明係有關為控制經由後步驟之特殊性，劇烈變動焊浴中之銅(以下為Cu)濃度及鎳(以下為Ni)濃度之追加供應用無鉛焊料及此特殊狀況下之焊浴中Cu濃度及Ni濃度之調整方法。

先行技術中，具Sn-Pb共晶附近之組成的焊合金因其熔點低，同時信賴性亦高，因此被廣泛使用。惟，近年來，由保護環境之觀念，極需以不含鉛之無鉛焊料者。特別是近來市場上所使用之Sn-Cu系，特別具有Sn-Cu-Ni系之組成之無鉛焊料，相較於其他鉛焊料其流動性較高，且於大量生產時具有較不易發生造成問題之表面平滑性不良，焊電橋、開孔、未焊等所有焊鍍不良等之優點，為極被期待之焊料。

而將電子機器類之Cu箔印刷基板(以下單稱印刷基板)或具有Cu之導引線、Cu膠帶之零件浸漬於焊浴進行焊鍍時，藉由此等銅於焊浴中熔出，而漸次提昇焊浴中Cu濃度。其結果係於焊浴中所定作業溫度下產生未溶解之熔點高的Sn-Cu金屬間化合物，此附著於被處理物之機具周邊，而降低品質。對於此問題，被提出一種於焊浴中藉由追加供應以壓低Cu濃度之補給焊料，使Cu濃度控制於一定濃度以下之濃度管理方法。

[專利文獻1]特開2001-237536號公報

惟，於焊浴中浸漬機具後取出之鍍錫(Tinning)步驟之後，使用氣刮刀於機具上噴霧高溫、高壓之空氣後，以去除多餘之焊料，亦即藉由熱氣焊料塗平(以下稱HASL)裝置進行鍍平處理時，以上述之Cu濃度控制方法係可觀察到預想中之焊浴中Cu濃度之變化出現相當驚人的濃度之提昇。亦即，不僅機具處理量少，焊浴中Cu濃度之上昇速度亦明顯快速。此特殊現象因塑模使機具進行展線化時等亦同樣產生。

另外，浸漬於焊浴後，藉由前述HASL裝置等去除機具多餘焊料之處理時，使用Sn-Cu-Ni系之無鉛焊料時焊浴中之Ni濃度儘管其機具處理量少，仍出現急速下降之現象。此Ni濃度之減少乃焊料溶解時之流動性不良，而發生上述焊料表面平滑性差，開孔、產生未焊等諸多問題，因此於大量生產時，更造成生產線停擺等重大問題。亦即，焊浴中Cu濃度與Ni濃度之管理為確保穩定生產之極重要因素者。

本發明鑑於上述狀況，提供一種於焊浴中不替換既存之焊料，為使劇烈變動之Cu濃度及Ni濃度控制於適當範圍下進行追加供應用無鉛焊料及可控制該濃度之方法為目的。

本發明者因先行技術之濃度管理方法無以對應，而進 行檢討欲發現可對應焊浴中Cu濃度、Ni濃度劇烈變化之方法。具體而言，本發明者係使熔融焊料噴流產生波(wave)，此波係與採用僅於接觸基板內面時Cu成分熔出之波焊鍍方法時之濃度管理方法相異，而著重於針對後步驟之HASL裝置或塑模之控制時之特殊性者。

如：HASL裝置係指因由該裝置釋放出高溫且高壓空氣，故該空氣賦予機具本身不小的撞擊力。如此一來，不僅單為焊平對象之焊料，機具表面之Cu亦有相當的量被去除。本發明者進一步研討發現，對因HASL裝置或塑模所致之機具的物理性力量(撞擊力等)，係以含有形成於機具表面之Cu與焊料界面之界面層(Ni．Cu)₆ Sn₅ 之形態去除焊料層。

前述機具與焊料之界面層中，相較於焊料層其大量含於機具側之Cu較容易滲入該界面層，亦即，形成Cu豐富層者。如此一來，含有上述焊料與機具之界面層之焊料層經由HASL裝置等去除後，其返回焊浴後，焊浴中之Cu濃度則急遽上昇。

另外，藉由此焊浴中Cu濃度急遽上昇，於焊浴底部出現Sn-Cu金屬間化合物之殘留。此Sn-Cu金屬間化合物為以置入焊浴中之Ni形態下進行結晶化，而於早期減少含於焊浴中之Ni含量。為儘量延遲該Sn-Cu金屬間化合物之產生，即使將焊浴作業溫度保持於260℃仍無法應付Cu濃度之急遽上昇，其結果於焊浴底部容許Sn-Cu金屬間化合物之產生，且Ni之置入亦無法避免。又，無鉛焊 料中含少量Ni者原本通常不含於機具之印刷基板等側，因此，每次處理機具即減少焊浴中之Ni含量。藉此少量Ni具良好流動性等之Sn-Cu-Ni系焊料本質，機具處理後對於確實減少Ni之適當塑模進行追加供應乃生產穩定化必要的一環。

如上述，HASL等特殊裝置於後步驟控制時，因焊浴中之Cu、Ni之濃度變動極快速，因此必需要精密的濃度管理。本發明者因而針對此觀點進行精密研討後，結果發現，務必於Cu濃度增加所定份量且Ni濃度減少所定份量之前投入追加供應用焊料。本發明者進一步體悟到，即使就應追加供應之無鉛焊料本身，若未對其組成進行嚴格控管仍將無法實現適當濃度之管理，因而完成本發明。

亦即，本發明追加供應用無鉛焊料係對於由焊鍍後經由氣刮刀或塑模所處理具銅箔之印刷基板、銅導引線、或銅膠帶所成之機具用焊浴進行追加供應之無鉛焊料，該無鉛焊料係以Sn為主成分，至少含有0.01質量%以上，0.5質量%以下之Ni。藉由投入此組成之無鉛焊料，可迅速恢復經由後步驟之HASL裝置或塑模所致之濃度劇烈變化之焊浴中焊料濃度呈適當濃度範圍。

為調整此焊浴之Cu濃度及Ni濃度，雖予無鉛焊料中之Cu濃度其最大容許量為含有12質量%者，但以Sn-Cu其晶熔點為0.7質量%、或其以下可抑制產生過剩的(Ni、Cu)₆ Sn₅ 等金屬間化合物之觀點為更佳，而更以0.5質量%以下為最佳。另外，完全未含Cu僅只Sn-Ni之無鉛焊 料，係可使焊浴整體之Cu濃度於最快速度降低而最為理想。又，有關該焊料中之Ni濃度以0.05質量%以上，0.3質量%以下者宜。設定於此範圍係因Sn-Ni之共晶點為Ni 0.15質量%，亦考量以此為中心具有下方0.1、上方0.15質量%之幅度者，此範圍內可輕易控制Ni之追加供應量。又，最佳之範圍為0.1質量%以上，0.2質量%以下。於此範圍下，可控制減少投入追加焊料時Cu濃度之變動，有利於焊料成分之穩定性。

又，本發明焊浴中之Cu濃度及Ni濃度之調整方法係於至少1種選自具有銅箔之印刷基板及銅導引線以及銅膠帶之群中之機具經由浸漬於焊浴焊鍍後，藉由氣刮刀或塑模所去除之焊料回復至該焊浴之焊鍍步驟中，該焊浴中之Cu含量由所定值起之增加量最大為0.5質量%，且含Ni量由所定值起之減少量最大為0.03質量%之前，進行追加供應以Sn為主成分，含有1.2質量%以下之Cu，且至少含0.01質量%以上，0.5質量%以下之Ni的無鉛焊料。此方法係採用預先以連續性或間歇性測定急速變化之焊浴中焊料濃度，且於所定上昇幅度或下降幅度為止快速投入追加供應用焊料之方法。藉由此方法，如：HASL裝置或塑模之步驟控制於後步驟，即使焊浴中之Cu、Ni濃度劇烈變動時，仍可實現適當濃度之管理而降低不良率，同時不會中斷焊鍍處理步驟，可確保生產之穩定性。

本發明之濃度調整方法中，於Cu含量由所定值起之最大增加量為0.3質量%，且Ni含量由所定值起之最大減 少量為0.02質量%之前補給上述之追加供應用無鉛焊料者，可充分確保生產穩定性，且可使焊浴作業溫度於更低溫下進行操作，因此，由其生產面觀而言更為理想。另外，做為追加供應用之無鉛焊料組成，關於Cu與Ni，上述理想濃度範圍亦適用於本發明之濃度之調整方法。

上述任意發明，做為追加供應用無鉛焊料之組成，除Cu與Ni以外之組成，即使添加0.1質量%之如：抗氧化劑之有效鍺(以下為Ge)、磷(以下為P)，仍可有效發揮本發明之效果。又，添加Ge者，相較於P，其較具防止銅腐蝕性。另外，未含Sn與Cu及Ni以外之元素之無鉛焊料亦與上述相同，可發揮本發明效果。而，含Ge、P之無鉛焊料與未含Sn與Cu及Ni以外元素之無鉛焊料相較後，前者因抑制焊料之氧化，使氧化物(浮渣)變少，且附著於製品之該氧化物減少因此較為理想。又，即使以Co取代Ni用於追加供應之無鉛焊料的組成，亦與使用Ni時出現相同問題，亦藉由上述各發明進行解決。另外，追加供應用之焊料形狀可任意為棒焊料、線焊料等，均可發揮本發明效果。

本發明追加供應用焊料係提供一種將浸漬於焊浴之機具取出後，藉由HASL裝置或塑模進行處理時，經此等處理後可迅速恢復劇烈濃度變化之焊浴中Cu、Ni濃度為適當濃度範圍。藉此，可去除Sn-Cu-Ni系之無鉛焊料溶解時流動性惡化產生開孔、未焊等各種問題，使穩定生產。又，本發明藉由調整焊浴中Cu濃度及Ni濃度之方法後， 即使焊浴之Cu、Ni濃度劇烈變動時，仍可實現適當濃度管理，降低不良率，同時不會中斷焊鍍處理步驟，特別可於大量生產時穩定進行之。

[發明實施之最佳形態]

以下進行說明本發明具體之實施形態。首先針對使印刷基板之機具浸於焊浴後，經由HASL裝置之氣刮刀去除該基板上多餘之焊料時之實施例進行記述。

本實施例係使用未含Sn與Cu及Ni以外元素之無鉛焊料。具體而言，該無鉛焊料之含量為Cu：0.7質量%、Ni：0.05質量%，殘餘部份為Sn。而該無鉛焊料係設定於265℃之焊浴中呈熔融狀態。該條件下機具之印刷基板全垂直下降後浸漬於該焊浴中1秒~5秒後，該基板係由該焊浴以10cm/每秒~20cm/每秒之速度往上提。再利用HASL裝置之氣刮刀，提起該基板，同時使該基板兩面幾乎呈相向位置，由兩處使280℃之熱風以向機具之風壓為0.098MPa~0.294MPa之方式進行噴射。此時，此焊鍍處理為複數片連續進行中，於機具經處理時測定該焊浴中之Cu濃度與Ni濃度。

圖1係代表對於如上述該基板之連續進行焊鍍處理時之焊浴中Cu濃度及Ni濃度之變化。其中縱軸(Y軸)代表Cu濃度(質量%)及Ni濃度(質量%)，橫軸(X軸)代表機具之印刷基板的處理面積(m² )。如圖1所示可 知，焊浴中之Cu濃度儘管其機具處理面積少，卻仍急遽上昇，另外，Ni濃度伴隨處理面積之增加而急遽下降。更藉由焊鍍處理及HASL裝置持續處理後，即使維持作業溫度於260℃以上，仍開始出現未溶解之Sn-Cu金屬間化合物，雖停止焊浴中Cu濃度之上昇，惟焊浴壁面、底部卻確定有大量Sn-Cu濃度間化合物，無法不使操作中斷。另外，Ni濃度於Cu濃度之上昇停止後，卻仍持續減少，此乃伴隨Sn-Cu金屬間化合物之增加，於該化合物中置入Ni所致。又，此最初濃度之急遽變化度相較於上述採用波焊鍍之方法時之Cu濃度變化之速度(亦即，處理做為基準之印刷基板面積時之Cu濃度上昇傾向)，其約為10倍之速度。

接著，本發明者準備Ni：0.15質量%、殘餘部份為Sn之追加供應用無鉛焊料。再與上述同法對於印刷基板連續進行焊鍍處理，測定此時焊浴中之Cu濃度及Ni濃度，同時於焊浴中投入適當之該追加供應用無鉛焊料。具體而言係Cu濃度由基準值增為0.5質量%之前，且Ni濃度減至0.03質量%之前將上述追加供應用無鉛焊料投入焊浴中。此時焊浴中之Cu濃度及Ni濃度變化示於圖2。其中圖中之箭頭代表投入追加供應用無鉛焊料之時。

又，基準值係指焊鍍處理前之階段最初之焊浴中Cu濃度及Ni濃度，焊鍍處理中，投入追加供應用無鉛焊料之結果，焊浴中Cu濃度及Ni濃度變化最劇烈時之值(亦即，Cu為極大值，Ni為極小值)。

如圖2所示，最初伴隨機具處理面積之增加，其Cu濃度隨之劇烈增加，反之，Ni濃度減少，惟可確認，藉由投入上述之追加供應用無鉛焊料後，會使Cu濃度及Ni濃度極快速恢復至最初個別之濃度為止之效果。如圖示，藉由公知之濃度測定裝置確認了Cu濃度上昇狀況及Ni濃度之下降情況，同時，重覆複數次，於焊浴中投入上述之追加供應用無鉛焊料後，可控制再現性極為良好之Cu濃度及Ni濃度於適當範圍內。又，投入追加供應用無鉛焊料之量係依與焊浴中熔融焊料之質量關係進行適當選取。另外，Cu濃度及Ni濃度之適當範圍係指Cu濃度為0.6質量%以上，1質量%以下，Ni濃度為0.02質量%以上、0.08質量%以下。

而，實施與上述相同之處理與測定之其他實施例中，以Sn為主成分，Cu為超出1.2質量%之含量，且Ni為未達0.01質量%或超出0.5質量%之無鉛焊料投入焊浴中作為追加供應用時，即使在連續焊鍍處理時之任意時段投入，並無法特別地抑制焊浴中之Cu濃度之提昇，完全無法調整濃度。另外，Cu含量為1.2質量%以下之無鉛焊料，係可於Ni濃度為0.01質量%以上0.5質量%以下時賦予濃度之調整。特別是無鉛焊料含量之Cu濃度為0.7質量%以下時，則其濃度調整將提早達成，甚至Cu濃度為0.5%以下其濃度調整速度更快。又，完全不含Cu之無鉛焊料投入後將如上述可以最快速且確實進行Cu之濃度調整。

另外，其他實施例中，Cu濃度為1質量%以下之Sn 為主成分之無鉛焊料中，其Ni含量為0.01%以上，0.5%質量以下者則焊浴中之Ni濃度為適當範圍者，具體而言，於0.02質量%以上，0.08質量%以下之範圍可使其穩定化。而Ni濃度為0.05質量%以上，0.3質量%以下者，則可使焊浴中之Ni濃度更迅速控制於適當範圍，甚至Ni濃度為0.1質量%以上，0.2質量%以下時，不僅可使焊浴中已降低之Ni濃度以最快速恢復，同時可藉由壓低Ni濃度之上限，而可更確實抑制Sn-Cu金屬間化合物之產生。

本實施例及其他實施例中，更使HASL裝置或塑模做為焊鍍處理之後步驟的控制時，將焊浴作業溫度設定於260℃以上，300℃以下。藉此，即使對於後步驟特殊性所致之Cu及Ni的劇烈變動濃度，於焊浴中仍不易產生高熔點之Sn-Cu金屬間化合物、同時投入上述各組成之追加供應用無鉛焊料時間亦極為充裕。換言之，所投入之追加供應用無鉛焊料組成亦可確保相當的自由度。Cu濃度為1.2質量%以下之含量仍可賦予濃度調整乃因上述之溫度設定所賜。又，以300℃為上限係因超過此則其機具側之Cu將過度熔入焊浴，即使使用該追加供應用無鉛焊料仍極不易調整濃度。由該觀點視之，做為焊浴作業溫度之上限值之最理想值為280℃。

又，於Cu含量之由所定值起之增加量最多為0.3質量%，且Ni含量之由所定值起之減少量最多為0.02質量%之前投入上述追加供應用無鉛焊料之其他實施例中，相較於該等以上之增加量時投入之結果，其可延長連續操作之 時間，且針對焊浴作業溫度亦可於262℃至263℃之較低溫度下進行操作。

又，做為本發明另一具體實施形態者，針對於焊浴中浸漬銅導引線後，藉由塑膜去除覆蓋該導引線之多餘焊料時之實施例進行敘述。

本實施例中亦與上述實施例相同，使用不含Sn與Cu及Ni以外之元素之無鉛焊料。具體而言，該無鉛焊料之含量為Cu：0.7質量%、Ni：0.05質量%、殘餘部份為Sn。而該無鉛焊料於設定於265℃之焊浴中呈熔融狀態。該條件下，浸漬機具之銅導引線後，以公知之加熱裝置進行塑模與該導引線之加熱，提高延伸性後，進行延伸線加工處理。

該處理亦與上述相同，將以無鉛焊料所被覆之銅導引線經由塑模進行延伸線化時，針對銅導引線之Cu係可與多餘之焊料同時去除，且因其熔入焊浴之故，而確定Cu濃度劇烈上昇。且，焊浴中之Ni濃度亦出現驟減。

本發明者準備其後步驟係與HASL裝置時相同之Ni為0.15質量%、殘餘部份為Sn之追加供應用無鉛焊料。與上述同樣地，對於銅導引線連續進行焊鍍處理，持續測定此時焊浴中之Cu濃度及Ni濃度，同時投入適當之該追加供應用無鉛焊料於焊浴中。具體而言，於Cu濃度由基準值增加0.5質量%之前，且Ni濃度減少0.03%之前，將上述之追加供應用無鉛焊料投入焊浴中。其中，基準值之定義與做為後步驟之藉由HASL裝置進行處理時之上述實 施例所示者相同。

其結果，證明可得與以上述HASL處理做為後步驟使用時之結果之數值幾乎為相同之濃度調整效果。又，其他實施例中，可得與以HASL裝置為後步驟使用時之相同結果。亦即，以Sn為主成分，Cu為超出1.2質量%之含量，且Ni為未達0.01質量%、或超出0.5質量%之無鉛焊料做為追加供應用投入焊浴時，即使連續進行焊鍍處理時之任意時段投入時，並無法特別地抑制焊浴中之Cu濃度之上昇，完全無法調整濃度。另外，Cu為1.2質量%以下含量之無鉛焊料中，係可於Ni濃度為0.01質量%以上，0.5質量%以下時賦予濃度調整。特別是無鉛焊料含量為Cu濃度：0.7質量%以下時，則較快達成濃度調整，甚至Cu濃度為0.5%以下時，將更快速調整濃度。又，投入完全未含Cu之無鉛焊料時，最快達到如上述之Cu濃度調整，且確實進行之。

更於另一個實施例，其Cu濃度為1.2質量%以下以Sn為主成分之無鉛焊料中，Ni含量為0.01%以上，0.5%質量%以下時使焊浴中之Ni濃度於適當範圍，具體而言為0.02質量%以上，0.08質量%以下之範圍可使其穩定化。而，Ni濃度為0.05質量%以上，0.3質量%以下，則可使焊浴中之Ni濃度更快速控制於適當範圍，Ni濃度為0.1質量%以上，0.2質量%以下時，則最快速使焊浴中下降之Ni濃度恢復，同時不致發生因Ni濃度過高而產生(Ni．Cu)₆ Sn₅ 金屬間化合物之生成種(Seed)之弊害。

以上，針對本發明實施例進行了具體說明，惟，上述實施例並未全然為本發明實施之示例。如：上述任意實施例中，做為追加供應之無鉛焊料組成者即使添加0.1質量%之Cu與Ni以外之組成，如：抗氧化劑之有效鍺(以下為Ge)、磷(以下為P)，仍可有效發揮本發明效果。另外，上述實施例中雖複數次進行投入追加供應用無鉛焊料，但即使配合焊鍍步驟之形態(如：作業種類、口述之處理量、或焊鍍處理條件之一致性)，持續測定焊浴中之Cu濃度及Ni濃度，同時連續性或間歇性或週期性投入追加供應用無鉛焊料，均可發揮本發明之效果。特別是於一定條件下進行焊鍍處理時，藉由持續測定Cu及Ni分別之濃度，同時連續性或週期性投入追加供應用無鉛焊料可進行濃度管理。此時，藉由使公知之濃度測定裝置與焊料補給裝置連動，可自動控制濃度，甚至對可減低濃度變化量極為有利。

[產業上可利用性]

本發明之追加供應用焊料及焊浴中Cu濃度及Ni濃度之調整方法極適用於後步驟經由HASL裝置或塑模之特殊處理時之焊鍍步驟的生產技術管理。

[圖1]代表依在後步驟進行氣刮刀處理時之連續焊鍍處理，焊浴中Cu濃度與Ni濃度之變化曲線圖。

[圖2]代表對於在後步驟進行氣刮刀處理時之連續焊鍍處理，適用於本發明時之焊浴中Cu濃度及Ni濃度之變化曲線圖。

Claims (4)

1. 一種追加供應用無鉛焊料，其為對於由焊鍍後藉由氣刮刀或塑模所處理之具有銅箔之印刷基板、銅導引線或銅膠帶所成之機具用焊浴之追加供應用無鉛焊料，其特徵為經由浸漬於焊浴焊鍍後，藉由氣刮刀或塑模所去除之焊料回復至該焊浴之焊鍍步驟中，於該焊浴中之Cu含量由所定值起之增加量最大為0.5質量%，且Ni含量由所定值起之減少量最大為0.03質量%之前，該無鉛焊料係以Sn為主成分，含有0.01質量%以上0.5質量%以下的Ni者。
2. 如申請專利範圍第1項之追加供應用無鉛焊料，其中該無鉛焊料之Ni含量為0.05質量%以上，0.3質量%以下。
3. 如申請專利範圍第1項之追加供應用無鉛焊料，其中該無鉛焊料之Ni含量為0.1質量%以上，0.2質量%以下。
4. 一種焊浴中之Cu濃度及Ni濃度之調整方法，其特徵係自具有銅箔之印刷基板及銅導引線以及銅膠帶之群中所選出之至少1種機具，經由浸漬於焊浴焊鍍後，藉由氣刮刀或塑模所去除之焊料回復至該焊浴之焊鍍步驟中，於該焊浴中之Cu含量由所定值起之增加量最大為0.5質量%，且Ni含量由所定值起之減少量最大為0.03質量%之前， 進行追加供應以Sn為主成分，至少含0.01質量%以上0.5質量%以下的Ni之無鉛焊料。