焊錫膏的主要成份及特性 研究實驗報告 1 焊錫膏的主要成份及特性 研究是本實驗的主要研究課題，大致講來，焊錫膏的成份可分成兩個大的部分，即助焊劑和焊料粉（ FLUX &SOLDER POWDER）。 對本實驗的研究結果簡述如下： （一）、助焊劑的主要成份及其作用： A、活化劑 (ACTIVATION)：該成份主要起到去除 PCB 銅膜焊盤表層及零件焊接部位的氧化物質的作用，同時具有降低錫、鉛表面張力的功效； B、觸變劑 (THIXOTROPIC) ：該成份主要是調節焊錫膏的粘度以及印刷性能，起到在印刷中防止出 現拖尾、粘連等現象的作用； C、樹脂（ RESINS）：該成份主要起到加大錫膏粘附性，而且有保護和防止焊后 PCB 再度氧化的作用；該項成分對零件固定起到很重要的作用； D、溶劑（ SOLVENT）：該成份是焊劑組份的溶劑，在錫膏的攪拌過程中起調節均勻的作用，對焊錫膏的壽命有一定的影響； （二）、焊料粉： 焊料粉又稱錫粉主要由錫鉛合金組成，一般比例為 63/37；另有特殊要求時，也有在錫鉛合金中添加一定量的銀、鉍等金屬的錫粉。概括來講錫粉的相關特性及其品質要求有如下幾點： A、錫粉的顆粒形態對錫膏的工作性能 有很大的影響： A-1、重要的一點是要求錫粉顆粒大小分布均勻，這里要談到錫粉顆粒度分布比例的問題；在國內的焊料粉或焊錫膏生產廠商，大家經常用分布比例來衡量錫粉的均勻度：以 2545 m 的錫粉為例，通常要求 35 m 左右的顆粒分度比例為 60%左右， 35 m 以下及以上部份各占 20%左右； A-2、另外也要求錫粉顆粒形狀較為規則；根據“中華人民共和國電子行業標準錫鉛膏狀焊料通用規范（ SJ/T 11186-1998）”中相關規定如下：“合金粉末形狀應是球形的 ,但允許長軸與短軸的最大比為 1.5 的近球形狀粉末 。如用戶與制造廠達成協議，也可為其他形狀的合金粉末。”在實際的工作中，通常要求為錫粉顆粒長、短軸的比例一般在 1.2 以下。 A-3、如果以上 A-1 及 A-2 的要求項不能達到上述基本的要求，在焊錫膏的使用過程中，將很有可能會影響錫膏印刷、點注以及焊接的效果。 B、各種錫膏中錫粉與助焊劑的比例也不盡相同，選擇錫膏時，應根據所生產產品、生產工藝、焊接元器件的精密程度以及對焊接效果的要求等方面，去選擇不同的錫膏； B-1、根據“中華人民共和國電子行業標準錫鉛膏狀焊料通用規范（ SJ/T 11186-1998）” 中相關規定，“焊膏中合金粉末百分(質量 )含量應為 65%-96%,合金粉末百分 (質量 )含量的實測值與訂貨單預定值偏差不大于 1%”；通常在實際的使用中，所選用錫膏其錫粉含量大約在 90%左右，即錫粉與助焊劑的比例大致為90： 10； B-2、普通的印刷制式工藝多選用錫粉含量在 89-91.5%的錫膏； B-3、當使用針頭點注式工藝時，多選用錫粉含量在 84-87%的錫膏； B-4、回流焊要求器件管腳焊接牢固、焊點飽滿、光滑并在器件（阻容器件）端頭高度方向上有 1/3 至 2/3 高度焊料爬升，而焊錫膏中金屬合金的含量 ，對回流焊焊后焊料厚度（即焊點的飽滿程度）有一定的影響 C、錫粉的“低氧化度”也是非常重要的一個品質要求，這也是錫粉在生產或保管過程中應該注意的一個問題；如果不注意這個問題，用氧化度較高的錫粉做出的焊錫膏，將在焊接過程中嚴重影響焊接的品質。 焊錫的原理是什么 ? 第一章 焊 錫 原 理 在研究焊錫工程所用的材料之前，我們必須先清楚地了解焊錫的基本原理否則，我們便無法用目視來檢驗焊錫后錫鉛合金與各種零件所形成的焊點是否標準 第一節 潤 濕 WETTING 焊錫的定義中可以發 現潤濕是焊接過程中的主角所謂焊接即是利用液態的銲錫潤濕在基材上而達到接合的效果這種現象正如水倒在固體表面一樣，不同的是銲錫會隨著溫度的降低而凝固成接點當銲錫潤濕在基材上時，理論上兩者之間會以金屬化學鍵結合，而形成一種連續性的接合，但實際狀況下，基材會受到空氣及周邊環境的侵蝕，而形成一層氧化膜來阻擋銲錫，使其無法達到較好的潤濕效果其現象正如水倒在涂滿油脂的盤上，水只能聚集在部份的地方，而無法全面均勻的分布在盤子上如果我們未能將基材表面的氧化膜去除，即使勉強沾上銲錫，其結合力量還是 非常的弱 焊接與膠合的不同 當兩種材料用膠粘合在一起，其表面的相互粘著是因為膠給它們之間的機械鍵所致 因為膠不容易在兩者之間固定，所以光亮的表面無法像粗糙或蝕刻的表面粘眷性那么好膠合是一種表面現象，當膠是潮濕狀態時，它可以從原釆的表面被擦掉 焊接是銲錫和金屬之間形成一金屬化學鍵，銲錫的分子穿入基材表層金屬的分子結構，而形成一堅固、完全金屬的結構當銲錫熔解時，也不可能完全從金屬表面上把它擦掉，因為它已變成基層金屬的一部份 潤濕和無潤濕 Wetting&Non-wetting 一塊涂有油脂的金屬薄板浸到水中，沒有潤濕現象，此時水會成球狀般的水滴，一搖即掉，因此，水并未潤濕或粘在金屬薄板上 如將此金屬薄板放入熱清潔溶劑中加以清洗，并小心地干燥，再把它浸入水中，此時水將完全地擴散到金屬薄板的表面而形成一薄且均勻的膜層，怎么搖也不會掉，即它已經潤濕了此金屬薄板 清 潔 當金屬薄板非常干凈時，水便會潤濕其表面，因此，當銲錫表面和金屬表面也很干凈時，銲錫一樣會潤濕金屬表面，其對清潔程度的要求遠比水于金屬薄板上還要高很多，因為銲錫和金屬之間必須是緊密的連 接，否則在它們之間會立即形成一很薄的氧化層不幸的是，幾乎所有的金屬在曝露于空氣中時，都會立刻氧化，此極薄的氧化層將妨礙金屬表面上銲錫的潤濕作用 在第三章我們將討論助焊劑有克服此問題的功能 注一：焊錫是指 60/40 或 63/37 的錫鉛合金 注二： WEETTING:其中文的意思是潤濕或潤焊 注三：基材：泛指被焊金屬，如 PCB 或零件腳 毛細管作用 如將兩片干凈的金屬表面合在一起后，浸入熔化的銲錫中，銲錫將潤濕此兩片金屬表面并向上爬升，以填滿相近 表面之間的間隙，此為毛細管作用 假如金屬表面不干凈的話，便沒有潤濕及毛細管作用，銲錫將不會填滿此點 當電鍍貫穿孔的印刷線路板經過波峰錫爐時，便是毛細管作用的力量將錫貫滿此孔，并在印刷線路板上面形成所謂的焊錫帶并不完全是錫波的壓力將銲錫推進此孔 表面張力 我們都看過昆蟲在池塘的表面行走而不潤濕它的腳，那是因為有一看不到的薄層或力量支持著它，這便是水的表面張力同樣的力量是使水在涂有油脂的金屬薄板上維持水滴狀，用溶劑加以清洗會減少表面張力，水便會潤濕和形成一薄層 在第三章，我們 將會知道助焊劑在金屬表面上的作用就像溶劑對涂有油脂的金屬薄板一樣溶劑去除油脂，讓水潤濕金屬表面和減少表面張力助焊劑將去除金屬和銲錫間的氧化物，好讓銲錫潤濕金屬表面 在銲錫中污染物會增加表面張力，因此必須小心地管制銲錫溫度也會影響表面張力，即溫度愈高，表面張力愈小 潤濕的熱動力平衡 焊錫的用途及焊錫分類 焊錫的用途及焊錫分類資料介紹 焊料是一種熔點比被焊金屬熔點低的易熔金屬。焊料熔化時，在 被焊金屬不熔化的條件下能潤浸被焊金屬表面，并在接觸面處形成合金層而與被焊金屬連接到一起。在一般電子產品裝配中，主要使用錫鉛焊料，俗稱為焊錫。 (1)常見焊錫的成分及作用 焊錫的主要作用就是把被焊物連接起來，對電路來說構成一個通路。 成 份 熔點 用途 錫（ %） 鉛（ %） ( ) 30 70 240 焊接粗的白鐵 33 67 242 焊接鋅皮，鍍鋅鐵皮 40 60 223 焊接黃銅皮、馬口鐵皮、電子元件 52 48 150左右 焊接小黃皮，電子元件 (2)常用焊錫具備的條件 1)焊料的熔點要低 于被焊工件。 2)易于與被焊物連成一體，要具有一定的抗壓能力。 3)要有較好的導電性能。 4)要有較快的結晶速度。 什么是無鉛焊錫 無鉛焊錫技術不是新的。多年來，許多制造商已經在一些適當位置應用中使用了無鉛合金，提供較高的熔點或滿足特殊的材料要求。可是，今天無鉛焊錫研究的目的是要決定哪些合金應該用來取代現在每年使用的估計 50,000 噸的錫 -鉛焊錫。取消資源豐富價格便宜的 (大約每磅 0.40 美元 )鉛，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加許多。 選擇用來取代鉛的材料必須滿足各種要求： 1.它們必須在世界范圍內可得到，數量上滿足全球的需求。某些金屬 - 如銦 (Indium)和鉍 (Bismuth) - 不能得到大的數量，只夠用作無鉛焊錫合金的添加成分。 2.也必須考慮到替代合金是無毒性的。一些考慮中的替代金屬，如鎘 (Cadmium)和碲 (Tellurium)，是毒性的；其它金屬，如銻 (Antimony)，由于改變法規的結果可能落入毒性種類。 3.替代合金必須能夠具有電子工業使用的所有形式，包括返工與修理用的錫線、錫膏用的粉末、波峰 焊用的錫條、以及預成型 (preform)。不是所有建議的合金都可制成所有的形式，例如鉍含量高將使合金太脆而不能拉成錫線。 4.替代合金還應該是可循環再生的 - 將三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中可能使循環再生過程復雜化，并增加成本。 不是所有的替代合金都可輕易地取代現有的焊接過程。美國國家制造科學中心 (NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在 1997 年得出結論，對共晶錫 -鉛焊錫沒有“插入的 (drop-in)”替代品。 1994 年 完成的，作為歐洲 IDEALS 計劃一部分的研究發現，超過 200 種研究的合金中，不到 10種無鉛焊錫選擇是可行的。 數量上足夠滿足焊錫的大量需求的元素包括，錫 (Sn, tin)、銅(Cu, copper)、銀 (Ag, silver)和銻 (Sb, antimony)。商業上可行的一些無鉛焊錫的例子包括， 99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在這些替代合金內的所有這些元素具有與錫 -鉛焊錫不同的熔點、機 械性能、熔濕特性和外觀。現在工業趨向于使用接近共晶的錫銀銅 (near-eutectic-tin-silver-copper)合金。 多數無鉛合金，包括錫 -銀 -銅，具有超過 200 C 的熔點 - 高于傳統的錫 -鉛合金的大約 180 C 的熔點。這個升高的熔點將要求更高的焊接溫度。對于元件包裝和倒裝芯片裝配，無鉛焊錫的較高熔點可能是一個關注，因為元件包裝基底可能不能忍受升高的回流溫度 (圖一 )。設計者現在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的溫度，以及各向異性的 (anisotropic)導電性膠來取代倒裝芯片和元件 包裝應用中的焊錫。 無鉛合金的較高熔化溫度可提供一些優勢，比如，提高抗拉強度和更好的溫度疲勞阻抗、使其適合于象汽車電子元件這樣的高溫應用。 電路板與元件的表面涂層也必須與無鉛焊錫兼容。例如，銅表面涂層的板面上的焊接點可能在機械上和外觀上都受較高的無鉛焊錫的表面貼裝技術 (SMT)回流焊接溫度的影響，它可能造成錫與銅之間有害金屬間化合物的形成。無鉛焊錫的外觀也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比傳統的錫 -鉛焊錫缺少一點反光性 )，可能要求標準品質控制程序的改變。最后，因為現在沒有高含鉛 (high-lead-bearing)焊錫的替代品存在，所以完全的無鉛裝配還是不可能的。 雖然現在的助焊劑系統與錫 -鉛焊錫運作良好，無鉛替代合金將不會在所有的板元件表面涂層上同樣的表現，不會容易地熔濕 (wet)以形成相同的金屬間化合物焊接類型。因此可能需要改善助焊劑，提高熔濕性能，減少 BGA 焊接中的空洞。 理想的無鉛焊錫合金將提供制造商良好的電氣與機械特性、良好的熔濕 (wetting)能力、沒有電解腐蝕和枝晶的 (dentritic)增長的問題、可接受的價格、和現在與將來各種形式的可獲得性。焊錫將使 用傳統的助焊劑系統，不要求使用氮氣來保證有效的熔濕。 滿足波峰焊接、 SMT 和手工裝配要求的無鉛替代品今天都可在市場買到，雖然在元件無鉛合金、電路板表面涂層兼容性、助焊劑系統開發和工藝問題上要求更多的研究。 隨著人類文明的進步，人們的環境意識正逐漸增強。保護自然環境，減少工業污染，已越來越受到人們的關注。無鉛焊錫關鍵在“無鉛”，出于環保的要求，特別在食品罐頭的生產上為防止鉛污染，要求更嚴，不得在材料中含有鉛。 無鉛焊錫的主要成分是錫，熔點是 232，與其他金屬如銀、鉍、鋅等組成合金體系。 Sn-Ag 系無鉛焊錫的熔點為 221，與 Sn-Pb 體系焊錫的很多情況較接近，多有應用。在 Sn-Ag 體系中，適當加入一些銅，除了熔點有所降低外，還提高了焊接可靠性。作為Sn-Ag 系無鉛焊錫的最大特征，是耐熱疲勞性明顯優于 Sn-Pb 體系焊錫。使用在要求接合部長期可靠性的機器中最合適。作為 Sn-Pb 體系焊錫替代品使用， Sn-Ag 系無鉛焊錫的主要問題是熔點偏高，另外與 Sn-Pb 體系焊錫比成本也較高。 Sn-Zn 系無鉛焊錫的拉伸強度、初期強度、長時間強度變化都比 Sn-Pb 系焊錫優越，延展性也與 Sn-Pb 系焊錫具有相同值 ，另外， Zn 的毒性也弱，成本也低。若從焊錫合金的機械強度、熔點、成本和毒性等方面考慮， Sn-Zn 系無鉛焊錫替代 Sn-Pb 系焊錫很合適。但 Sn-Zn 系焊錫也存在不足之處： Zn 穩定性不好，易氧化；需選用有效