軟銲
96/08/07
瀏覽次數
18273
黃育智｜
清華大學化學工程學系
楊青峰｜
清華大學化學工程學系
陳信文｜
清華大學化學工程學系
軟銲（soldering）是一種現代工藝常見的連結技術，尤其在電子產品中更是扮演了重要的角色。它是利用一種較低熔點的金屬，把兩種不同的基材連結在一起的「銲接」技術。
中國古代銲接技術
在漢代班固所撰的《漢書》中，已有「胡桐淚盲似眼淚也，可以汗金銀也。今工匠皆用之」。其中所指的「汗」就是「銲」。
現代銲接的技術種類很多，主要可以分為軟銲、硬銲（brazing）與熔接（welding）。硬銲與軟銲較為接近，都是使用較低熔點的材料連結不同的基材。這種用於連結的低熔點材料，稱為銲料（solder或braze）。軟銲所用的銲料熔點較低，通常低於攝氏400度。軟銲與硬銲的加工溫度高於銲料的熔點，但是低於待連結材料的熔點。在加工的過程中，銲料熔融成為液體，與待連結的基材接觸濕潤，冷卻後銲料凝固使基材連結在一起，成為不可分的一體。
由大陸曾侯乙墓出土，並被列為商周十大青銅器精品的「尊盤」，已可見到銲接技術約在戰國早期的充分利用。尊和盤是兩件器具，尊用來盛酒，盤則用以裝水或冰，其用途是為了冷酒或冰酒。尊有34個組件，經過56處銲接；盤則有38個組件，經過44處銲接而成。所用組件與銲接點的數量之多，非常少見。
在出土的漢朝古墓中，也發現了銲接的古銅鏡。在西元前3600年的古埃及人，已使用錫銲接的銀擺設、銀銲接的管子、銅缽的銀把手，以及金銲接的護符盒，且在圖坦卡門（Tutankhaumen）法老的古墓內發現保存良好的銲接藝術品。西元79年的古羅馬，在被火山爆發埋沒的龐貝城中曾發現用錫鉛銲接的家用鉛製水管。
軟銲所用的銲料與待連結的基材，通常以金屬為多。金屬的表面常會形成氧化物而妨礙軟銲的進行，因此在軟銲的製程中，通常需要引進助銲劑（flux）去除氧化物並使表面潔淨，以讓軟銲的程序得以完成。
明代方以智所撰《物理小識》提到「銲藥以硼砂合銅為之，若以胡桐汁合銀，堅如石。今玉石刀柄之類銲藥，加銀一分其中，則永不脫。試以圓盆口點銲藥於其一隅，其藥自走，周而環之，亦一奇也」。這一記述明確指出了銅的銲接應以硼砂做為助銲劑，而銀的銲接可以使用胡桐樹脂為助銲劑，並且對銲料的填縫行為做了非常精彩的描述。
直到整個中世紀，銲接技術前進的腳步十分地緩慢，寶石飾品等的連結仍是主要的應用。隨著19世紀的工業革命，銲接技術開始蓬勃發展。這時候的銲接應用，主要是關於容器的密封、一些金屬的連結，以及水管組裝。
從20世紀起，軟銲技術開始融入電子產業。在電子產品的應用當中，除了把基材機械性地連結在一起外，通常尚需同時保有電路的連結。軟銲的技術有效地提供電子元件間所須的機械固定、電能傳送、訊號傳遞等需求，尤其是在製程上相對的簡易與價格上相對的便宜，歷經半世紀的發展，軟銲已成為電子產品中最主要的連結技術。
電子產品的銲接技術
一般的電子產品，除了輸出、輸入與電源部分外，都會有控制整個產品功能的印刷電路板或卡，例如電腦主機板與主機板上的元件。在主機板的印刷電路板上有著各式各樣的電子元件，這些電子元件都是使用軟銲的技術形成銲點，把它們連結在印刷電路板上。
全世界每年電子產品中銲點的數目，不可勝數，而銲點品質的良窳與電子產品的可靠度息息相關。一般電子產品不良的問題，除了不當使用的原因之外，銲點的破壞與失效是最主要的原因。因此隨著電子工業的蓬勃發展，軟銲技術更形重要，對銲點的分析與探討也更加受到關注。
軟銲的工業製程可以分為迴銲（reflow soldering）、波銲（wave soldering），以及人工使用的電烙鐵（solder iron）銲接。迴銲的製程是先使印刷電路板上架，接著依序擺置銲料及待連接的電子元件，再使這組合通過迴銲爐，把銲料熔化，銲湯濕潤上下基材，當這組合離開迴銲爐後，銲料冷卻就形成接點。
波銲則是先使銲料在錫爐內熔融，把電子元件置於印刷電路板上，先通過助銲劑的熔爐，接著通過錫爐，銲湯濕潤界面後，冷卻形成接點。這個製程之所以稱為波銲，在於為了確保在短暫時間內有足夠量的銲湯進入接點，並且迅速濕潤基材，因此錫爐中有產生波浪的裝置，以達到最佳的連接效果。隨著製程的不同，銲料的型態也略有不同，大致上可以分成銲條、銲膏、銲線等。
目前銲接技術的挑戰
銲接技術已發展了數千年，但是隨著不同應用的拓展，各種問題仍然持續發生。軟銲在科學與工業應用上，仍然是非常具有挑戰性的主題。1998年美國太空總署（NASA）所發射的軌道衛星Galaxy IV發生故障，經過調查後發現衛星的兩個控制處理器都已損壞，其中一個控制處理器的故障原因，是由一條寬度比頭髮還要細的錫鬚所造成的。
錫鬚是細長針狀的錫結晶，若是達到一定長度而與其他接腳接觸，會造成元件的短路。錫鬚一般認為是內部壓縮應力及表面氧化所造成的，它的成長是釋放應力的管道，我們可以想像成麵條由撐滿麵糰的塑膠袋破洞中擠出來的情形。衛星的造價十分昂貴，卻會因為銲點的問題而付之一炬。也難怪美國太空總署會設立一個專門討論金屬鬚的網站，以提供這類的資訊。
軟銲目前所遭遇到的技術上的挑戰，最主要是新材料的引進。長久以來，軟銲中所用到的銲料都是以錫鉛合金為主，因為它有熔點低、性質優良、價格低廉等優點。然而鉛具有毒性，近年來開始有禁用或限制使用的呼聲。
歐盟議會通過了RoHS（Restriction of Hazardous Materials）法案，規定成員國必須在2006年7月1日以後禁止大部分鉛的使用。日本的JEIDA（Japanese Electronic Industry Development Association）也訂定出無鉛銲料的使用時程，規定有鉛銲料在2005年以後只能用在部分特例上。之後許多國家相繼跟進禁鉛的計畫，也宣告無鉛銲料時代的來臨。
無鉛銲料的要求對各項產業帶來非常大的衝擊，因此發展國家非常重視無鉛銲料的研究，紛紛訂定各自的發展計畫，期望可以找到適當的無鉛銲料，把衝擊減到最低。
美國的NCMS （National Center for Manufacturing Sciences）、NEMI（National Electronics Manufacturing Initiative）、歐盟的BRITE-EURAM、日本的NEDO（New Energy and Industrial Technology Development Organization）等機構，各自提出多種不同合金組成的銲料，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，則是以錫銀銅合金為主的無鉛銲料。
無鉛銲料的開發與研究是目前非常熱門的議題，新組成的銲料必須有良好的性質。另一方面，以工業的角度來看，低成本並且與舊有設備有良好匹配性的銲料也是非常重要。
除了新材料的挑戰外，軟銲技術隨著電子產品往更小、更輕、更薄的方向發展，在技術上也不斷地推陳出新。如從1990年中期起，面積陣列式構裝開始發展，採用面積陣列式構裝的組件，是把組件底部的所有面積與電路板進行連結。最常見的面積陣列式組件是球柵式陣列構裝，最初是由摩托羅拉公司在西元1989年量產上模壓成型塑膠載體球柵陣列構裝而揭開序幕。
球柵陣列式構裝主要以小顆粒銲球做為組件與電路板間的連結，銲球可提供較短的電流傳遞途徑，如此會產生較小的電感，降低訊號的衰退，進而改善整體線路的性能。
近年來覆晶技術的發展，更使得軟銲技術層次更加地提升。在以往電子產品中，軟銲是用在已封裝完成的電子元件與基板間，而目前的覆晶技術則是直接用在積體電路與基板的連接。
覆晶製程首先由IBM在1962年推出，主要應用於陶瓷基板上做為固態邏輯技術。在1970年，IBM把這項技術開發成IC所用的連接技術，稱為C4的技術。積體電路晶粒與基板的連結，是以晶粒上的銲料凸塊和在基材上的連接材料所形成的電路連結。目前覆晶技術炙手可熱，是正值大放異彩的構裝技術，已有不少相關產品出現在市場上，未來幾年必定能看到更多的覆晶接合產品。
電流通過銲點的效應，也是軟銲面臨的重要課題。電流的效應主要有焦耳熱效應、電遷移效應、電流聚集效應等。電遷移是金屬原子在電場作用下產生遷移的現象，原子的移出會形成孔洞，而多餘的原子移入累積會造成突起。孔洞與突起的成長會影響導線短路或斷路，導致元件失效。
電流通過所產生的焦耳熱效應，提高了銲點的溫度，因為銲料主要是低熔點的金屬，升溫會顯著加速銲點中的界面反應。而電遷移效應與電流聚集效應的加入，使得銲點的界面反應與微結構變化更加複雜與難以預測。在電子產品輕薄短小的潮流下，銲點與導線的尺寸不斷下降，通過的電流密度也隨著增加，更使得電流效應愈形重要。對軟銲銲點的探討，尤其是電流效應的研究，同時充滿著探討未知的學術趣味與工業應用上的重要性。
軟銲技術歷經數千年的發展，橫跨青銅器時代、古埃及，到現代歷久不衰。尤其從20世紀開始，成為電子產品的最主要連結技術，對人類文明的發展更有著重要的影響。電子產品科技日新月異，使得軟銲技術持續提升。近年來環保意識抬頭，無鉛銲料的轉換已對製程造成很大的衝擊。電子產品輕薄短小化的發展，則使電流效應更顯著地影響銲點的可靠性。如此古老的軟銲技術，卻在當今高科技工業上大量應用，並在科學上持續有新的挑戰，實在是令人驚嘆。
