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1、化學錫製程技術及市場趨勢摘要 符合環保法令與規章的無鉛化製程-化學錫-，不僅能取代噴錫(HASL)，亦有成本低廉，焊錫性極佳，製程應用廣的優勢，威脅著其他表面處理製程，現已大舉入侵PCB產業，扮演舉足輕重的地位。一、前言: 隨著科技腳步不斷地往前邁進，人類持續地破壞大自然和污染環境，促使全球環保意識的抬頭，而電子產品亦趨於使用無鉛材料(Lead FreeMaterial)及無鉛製程，在印刷電路板產品中，表面處理製程(Surface FinishProcess)中含鉛的HASL(Hot Air Solder Level)製程首富其衝的成為眾所矚目的焦點，目前無鉛化的表面處理有OSP(Organi
2、c Solderability Preservatives)，Eless Pd, ElesNi / Immersion Au, Eless NiPd / Immersion Au, Immersion Tin，Immersion Silver , Lead Free HASL etc.；表面處理製程的這塊大餅中，以Immersion Tin製程Sn金屬有便宜，易取得，製程穩定和製程應用廣(細線路，細腳墊製作)之優勢，較具發展潛力，已是眾家藥水商爭食的對象。二、化學錫反應原理 化錫為一種錫銅置換反應(Exchange Reaction)，其反應機構是利用Sn2置換Cu0，而令Sn0沉積在銅面上，
3、反應式如下： Sn2Cu0 Sn0Cu2 Cu0 Cu22e 340mV Sn22e Sn0 140mV三、藥水種類及還原劑(Thiourea)介紹1、藥水種類 目前藥水商推出的化學錫藥水，可分為三種系列，分別為甲基磺酸錫系 列，硫酸亞錫系列，氟硼酸錫系列，其特性如下表：項目甲基磺酸錫硫酸亞錫氟硼酸錫沉積速率可稍差佳廢水處理難易度較難較難最難滲鍍(S / M Attack)稍多稍多輕微毒性(吸入性)微量微量少量製程(藥水)安定性較佳佳佳焊錫性最佳佳佳PH值1211腐蝕性(工安)低中極高2、還原劑Thiourea(硫月尿(NH2) 2CS)之特性a、 降低錫槽電位，增加反應速率。b、 溶於冷水，
4、硫氰化銨溶液和醇。c、 熔點180182，於150160時在真空中會昇華。d、 比重1.406，有光澤的白色晶體。e、 固體粉末吸入時有致癌的危險性，液態時對皮膚有刺激性。四、各種表面處理之特性比較項目TinHASLNi / AuOSPSilver細腳距應用YesNoYesYesYes焊墊平坦性YesNoYesYesYes多次熔焊YesYesYesNoNo無鉛製程YesNoYesYesYes電測前製作YesYesYesNoNo搭配各種助銲劑YesYesYesNoYes錫爐污染NoNoYesNoNo防焊油墨搭配性YesYesNoYesYes操作範圍MediumNarrowMediumWideMe
5、dium可重工性YesYesProblemProblemProblem儲存時間YesYesYesNoNo廢水處理MediumHighMediumLowHigh製程穩定性HighLowMediumHighMedium水平/垂直製程水平/垂直水平/垂直垂直水平/垂直水平/垂直尺寸變化NoNoYesNoNo厚度量測(XRF)YesYesYesNoYes成本計算(NT/SF)10168125070581220五、可靠度測試準則參考 a、焊錫性(Solderability：ANSI / J-STD-003,MIL-STD-883,Bellcore,Motorola etc.上述規範中以IPC ANSI/
6、J-STD-003業界較廣為採用。 b、防焊層附著力(PSR Adhesion)部份：IPC-SM-840C c、助焊劑(Soldering Fluxes)部份：IPC/J-STD-004焊錫性試驗法分類a、IPC規範: 有以下五種試驗法分別為：板邊沾錫試驗法(Edge Dip Test)，擺動沾錫試驗法(Rotary Dip Test)，漂錫試驗法(Solder Float Test)，波焊試驗法(Wave Solder Test)，沾錫天秤試驗法(Wetting Balance Test)；其中尚未制定允收/拒收標準者為沾錫天秤試驗法，目前PCB業界僅少數幾家採用，用途為表面處理製程品質管
7、制和構裝(Assembly)時熔焊(Re-flow)能力之依據；而在電子零件和構裝的領域中，接腳的焊錫能力尤其重要，組裝廠以此儀器作為PCB和其他元件進料檢驗用，及提供熔焊時參數(溫度，速度)設定參考。b、非IPC規範:l.熔錫擴張性試驗法(Solder Spread Test)如下圖所示：依表面處理種類不同，錫球組成成份不同(Sn/Pb , Sn/Ag/Cu etc.)擴張率亦有所不同，化學錫的表面處理擴張率要求5以上，才有優越的焊錫能力。2.熔錫球剪力試驗法(Solder Ball Shear Test)如下圖所示：錫球經熔錫焊牢後，底部完整的黏著於化學錫處理的焊墊(Pad)上，側壁與綠漆
8、表(S / M)相接，清洗和烘乾進行剪力試驗，以錫球殘留的多寡判定等級，殘留體積越大表示焊錫能力越佳。六、防焊層浮離(Solder Mask Peeling)的解決之道 由於化學錫藥水會滲透攻擊防焊綠漆底部的銅面接合處(滲鍍現象)，目前標榜化學錫製程專用的防焊油墨，尚無法完全解決防焊層浮離的問題，僅能說須刻意去調整化學錫製程的操作參數(溫度，時間)，才能克服此問題；吾人提供以下三種方法解決化學錫製程因浮雕問題遲遲未能量產的窘境。1、增加化學錫製程前處理(酸洗1000目之輕刷)和後處理(毛刷輕刷)，用意在將防焊綠漆側壁(Undercut)加以整理使趨於平整，並磨除銅面上較粗糙的銅顆粒及Epoxy
9、之類的殘留物，使其有乾淨，細緻，平坦的表面，以利錫銅進行置換反應；流程如下：2、更改防焊層前處理為棕化型態，用意在增加銅面的表面積，以利毛細作用(Capillary Action)，使銅表面能牢牢地抓住防焊油墨；流程如下：3、降低化錫主槽溫度和縮短反應時間，此法對藥水商而言是自廢武功的不智之舉，然而在低階板類或客戶同意儲存期限半年時，及組裝時IR Re-flow重工不可超過三次，可採取此法，將錫厚度控制在0.50.7m(正常要求1m以上才可儲存一年以上)，即可適用各家的綠漆而不浮離(Peeling)。七、製程應用l、作為蝕刻阻劑用，全板(Panel)電鍍和化錫後，搭配西門子最新推展的LDS雷射
10、直接構像(Laser Direct Structuring)可輕而易舉的製作SMT微細線路(Fineline)和微細腳距(Fine Pitch)；LDS設備為UV-Laser和CAD系統整合，直接燒除錫層，留下需的圖形(Pattern)當成阻劑，再進行蝕刻及去錫製程後，即可得到裸銅線路。其優點為不需底片(Art Work)製作，取代壓膜，曝光，顯影製程和不需無塵室內作業，可節省成本，減少報廢(無底漲縮，壓膜皺折，曝光髒點，顯影不良等問題)，快速製作Sample及可作出商解析高品質之線路；應用領域有MCM-BGA, FC Substrate, CSP Substrate, COB Substra
11、te，特殊PCB等；下圖為LDS製程和傳統製程的比較：2、選擇性搭配LDS設備(Selective Laser Direct Structuring)，只針對微細線路和微細腳距區選用LDS設備製作，此法化學錫主槽有乾膜溶出(Leach)問題，CAD程式和曝光底片漲縮補償問題，化學錫主槽不可和化學錫表面處理共用及流程長等弊端，除特殊需求外，不建議採用。3、圖像轉移蝕刻阻劑用，此法與電鍍二次銅/錫鉛的作法相同，唯不鍍銅僵化錫處理後走剝膜，蝕刻，去錫流程，益處為蓋孔(Tenting)能力，而有嚴重的乾膜溶出問題，較不經濟實用。八、市場概況及未來趨勢 就無鉛化的表面處理而言，傳統噴錫板(HASL)幾年
12、後將被取代是勢在必行的，各家藥水商皆卯足全力的開發此市場，目前此製程在量產或製程應用上尚屬測試階段；世界各國的PCB產業中，以日本的無鉛化腳步最快，包含零件，封裝，構裝，皆整裝待發的迎接無鉛化的電子產業新世代，台灣也與全球同步的導入與發展這個製程；下圖為化學錫製程市場預估表，供業界評估此製程之參考。九、結論 化學錫藥水系列中，污染最低，反應最溫和應屬甲基磺酸錫系列，為求環保起見，此系列之藥水將受到青睞；導入化學錫製程還有一大特點，就是應用在微細線路(1mil4mil)微細腳距(l2mill6mil)的製作(當蝕刻阻劑用)，此法在IC載板和軟板的應用上，有極大的表現空間。 在綠漆浮離之問題上，化學錫藥水還有改善空間尚在克服中，這個問題也使得藥水商絞盡腦汁地加以修正藥水和開發新的添加劑來解決綠漆浮離的問題，說服PCB業界來導入此製程。
