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焊锡

焊锡是在焊接线路中连接电子元器件的重要工业原材料,是一种熔点较低的焊料,主要指用锡基合金做的焊料。焊锡的制作方法是先用熔融法制锭,然后压力加工成材。

焊锡广泛应用于电子工业、家电制造业、汽车制造业、维修业和日常生活中。

焊锡材料是电子行业的生产与维修工作中必不可少的,通常来说,常用焊锡材料有锡铅合金焊锡、加锑焊锡、加镉焊锡、加银焊锡、加铜焊锡。

标准焊接作业时使用的线状焊锡被称为松香芯焊锡线或焊锡丝。在焊锡中加入了助焊剂。这种助焊剂是由松香和少量的活性剂组成。

焊接作业时温度的设定非常重要。焊接作业最适合的温度是在使用的焊接的熔点+50度。烙铁头的设定温度,由于焊接部分的大小,电烙铁的功率和性能,焊锡的种类和线型的不同,在上述温度的基础上还要增加100度为宜。

焊锡主要的产品分为焊锡丝,焊锡条,焊锡膏三个大类。应用于各类电子焊接上,适用于手工焊接,波峰焊接,回流焊接等工艺上。 [1]

由锡(熔点232度)和铅(熔点327度)组成的合金。其中由锡63%和铅37%组成的焊锡被称为共晶焊锡,这种焊锡的熔点是183度。

为适应欧盟环保要求提出的ROHS标准。焊锡由锡铜合金做成。 [1]

标准焊接作业时使用的线状焊锡被称为松香芯焊锡线或焊锡丝。如图所示,在焊锡中加入了助焊剂。这种助焊剂是由松香和少量的活性剂组成。

焊锡经过熔解-模具-成品;形成一公斤左右长方体形状。

锡膏(solderpaste)也称焊锡膏,是由超细(20~75μm)球形焊锡合金粉末、助焊剂及其它添加物混合形成的膏状体系。 [2]

锡(Sn)是一种常见的低熔点金属,无毒害,延展性好,常温下物理化学性质都相当稳定,能抗有机酸腐蚀,与诸多金属生成化合物。传统焊锡多以锡铅为主要成分,这种材料以其熔点低、焊接性能好、价格优惠而成为一种经典产品被使用至今。但铅的大量使用会给人类和环境带来极大的危害,日本、欧盟、美国、中国等国家和地区都积极立法限制铅的使用。

国内外对于焊锡粉的研究主要集中于颗粒粒度及其尺寸分布、抗氧化性、多元合金不同成分配比以及添加微量元素的作用等方面。对于助焊剂则主要集中于成分及其比例、扩展率、粘性、腐蚀性等方面。

1、高温无铅焊锡膏

1) Sn-Ag(-Cu)系

Sn-Ag系共晶成分为Sn3.5Ag,共晶点为221℃。此系列发展最成熟的是Sn-Ag-Cu (SAC)系,Sn3Ag0.5Cu(SAC305)是此系列的经典产品。这种合金具有优良的物理性能和高温稳定性,其焊接后的连接强度与传统锡铅共晶焊锡相同,甚至更高。在刚刚开始推行无铅化时,大多数厂商都会选择SAC305。由于Ag价格的不断攀升,各机构都在致力研究含Ag在1%以下的低银焊锡膏。

2004年,含Ag为0%~8%,Cu为0%~5%的SAC焊锡,此焊料可以满足回流温度但无法消除立碑效应。2006年,Ag为0.3% ~0.4%的Sn-Ag-Cu-P焊锡,其声明具有和SAC305相同的可焊性、导电性、力学性能、并且可减少Ag与酸碱反应带来的毒性问题。2010年,一种Sn-Ag基焊料,Ag含量为0.2%~1.0%,并添加微 量的Sb、Cu或Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Mo或P、Ga、Ge。添加这些元素可以提高其机械强度,但若添量过高则合金的液相温度也会随之升高。

Koki研制的低银焊锡膏组分为Sn0.1Ag0.7Cu0.03Co,熔点为217~227 ℃。银添加量的减少,使得产品市场波动性降低。钴可防止由热循环导致的组织变化,可保持组织致密,抑制时效性金属间化合物的偏析及凝聚,成本比SAC305减少10%~20%。Genma开发的低成本无银焊锡其组分为Sn0.7Cu0.03Ni0.01Co0.005Ge,熔化温度为226~228℃,添加镍和钴可以提高焊锡的强度和可靠性,其成本比SAC305减少54%。

2)Sn-Cu系

Sn-Cu的共晶成分为Sn0.7Cu,共晶温度高达227 ℃。由于Cu和Sn合金是以两种金属间化合物Cu6Sn5(η)和Cu3Sn(ε)的形态分散在Sn中。 Cu6Sn5为良性合金层,呈球状结晶,强度高,是焊点电接触性能和强度的根本保证;而Cu3Sn是劣性合金层,它位于铜层与Cu6Sn5之间,呈骨针状结晶,脆性,直接影响到焊点的电接触和强度性能,并会造成不润湿现象。

目前对此合金系的改性主要表现在添加微量的Ni、Ag、Bi等,用于增加焊料的流动性及其机械性能。此款焊料的优点是价格便宜,且可以抑制焊料工作时对PCB焊盘Cu层的浸析。

3)Sn-Sb系

Sn-Sb合金熔化区间较窄为240~250 ℃,比较主流的合金比例有:Sn5Sb、Sn10Sb。 Sn5Sb被认为可能替代Sn40Pb,其润湿角为35°~55°,比Sn40Pb的20°~35°范围要广,且在100℃时有着良好的剪切强度。常温下Sn5Sb的组织由体心四方结构的β-Sn和面心立方结构的β-Sn-Sb相组成。随着Sb含量的增加,Sn-Sb相颗粒在Sn基体中沉淀,其力学性能也随之提高。

2、中温无铅焊锡

1)Sn-Bi-Ag(Cu)系

Sn-Bi-Ag合金的共晶成分为Sn58Bi0.3Ag。Hiroshi Ohtani等研究发现:其熔点接近Sn-Bi合金,当Bi含量接近50%时,其固液相区温度间隔小于10 ℃;当Ag的含量大于2%时,生成金属间化合物Ag3Sn。 Sebo等对Sn100-x Bi10Agx (x=3%-10%)焊料进行了研究,发现Cu3Sn层仅存在于Cu基界面处,Cu6Sn5存在于基质界面及焊料内部,Ag仅仅存在于Ag3Sn中。 Ag含量的改变不会显著改变其接头的微观结构,但Ag3Sn的尺寸会随Ag的增加而长大;Cu3Sn层的厚度会随Ag的增加而减小。由于Ag为贵金属,会添加微量的Cu来代替Ag。

2)Sn-Zn系

Sn-Zn共晶(Sn9Zn)点199 ℃,比SAC的共晶温度(217℃)低20℃,比Sn-Pb的(183℃)高15℃,是熔点最接近Sn-Pb熔点的合金。通常情况下,焊接部分的凸点下金属(UBM)使用铜,而使用Sn-Zn合金就会生成锌和铜的金属化合物,这种金属化合物在高温高湿环境下会变柔软,连接强度会变弱,但只要在凸点下金属上使用镍电镀或金电镀就可以解决此类问题。另外,由于Zn活性高,极易氧化,工艺条件难控制等缺点,目前在国内的应用并不广泛,未来应用前景非常广阔。

3、低温无铅焊锡

Sn-Bi系

Sn-Bi合金共晶(Sn58Bi)点为139 ℃,采用这种焊料的实装温度可降到200℃以下。Sn-Bi系无铅焊料具有熔点低、润湿性良好的优点,Sn58Bi共晶合金应用于主板封装已经超过20年。但由于其易偏析,焊接接头容易剥落等缺陷限制其应用范围。

4、助焊剂

助焊剂主要由活性剂(松香、有机卤化物等)、表面活性剂(以烷烃类或氟碳类等高效表面活性剂为主)和溶剂组成。除以上组分外,助焊剂往往根据具体的要求而添加不同的添加剂,如成膜剂、抗氧化剂、缓蚀剂、消光剂、阻燃剂、触变剂等。

目前SMT软钎焊工艺生产中使用的助焊剂,根据其后继清洗工艺分为溶剂清洗型、水清洗型和免清洗型3种。 [2-3]

合金成分

熔点°C

松香含量%

用途

线径

每卷重量

Sn63/Pb37

Sn60/Pb40

183-190

1.0-3.0

熔点最低,抗拉强度各剪切强度高,润湿性好

0.3mm至3.0mm

0.5kg1.0kg3.0kg11b21b

Sn55/Pb45

Sn50/Pb50

183-203

183-216

1.0-3.0

一般电子、电气、玩具行业使用

Sn45/Pb55

Sn40/Pb60

Sn35/Pb65Sn30/Pb70

183-227

183-238

183-247

183-255

1.0-3.0

使用于制罐业、汽车制造业、保险丝及要求不高的焊接场所


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