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PCBA大讲堂:锡铅焊料的二元金相图解释

发布时间 :2018-12-07 08:55 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳恒运娱乐捷PCBA加工部
锡二元金相图
虽然无铅锡膏(焊锡)已经是现代环保电子科技的主流了,但是基于信赖度的考量,汽车业与军用电子都还有很多产品还在使用含铅的焊锡,因为PCBA加工有铅焊锡的焊接强度比无铅高出许多。
 
有铅锡膏的主要成份以锡(Sn)铅(Pd)为主,其他微量成份还有银、铋、铟等金属,各有其不同的熔点(M.P.),不过本文先假设这些微量的其他金属成分不会影响到锡膏的特性,所以我们可以先用锡铅的二元相图来解释锡膏的特性,因为三元以上的相图实在是太复杂了。
 
而且不论是焊料或是IMC,其组成的份子越多,其结构也就越复杂,也越不容易管控,可靠度也越差
 
参考一下文章最前面的锡铅二元相图,横坐标表示锡铅的重量百分比(Wt%),纵座标表示摄氏温度(°C)。铅的熔点为327°C,所以相图的左上角就是从327°C开始的(100%的锡,A点),随着锡铅重量比的含锡量越来越多,这条【液化熔点(Liquidus m.p.)】线的温度也就越来越低,当锡铅重量比来到最佳的Sn63/Pb37(实际为Sn61.9/Pb38.1,因为早期量测不淮,以致造成误差),其液化熔点也达到最低的183°C,如果继续再增加含锡的比率,其液化熔点温度就会反转上升,到达纯锡时的232°C。
 
锡铅合金焊料除了61.9/38.1的重量比有个唯一的【共固点(E点)(Eutectic)】183°C之外,其他不同的重量比皆会出现两个熔点,温度较高者称为【液化熔点(Liquidus m.p.)】,温度较低者称为【固化熔点(Solidus m.p.)】。介于两熔点之间的焊料则称之为【浆态(pasty)】,也就是固态与液态共存(co-exist)的高黏度流体。所谓的浆态(pasty)其实就有点类似土石流的型式,因为其中可能是锡已经变成液态但是铅还是固态(αPb+L),或是刚好相反(βSn+L)。
 
至于为什么我们一定得用Sn63/Pb37的重量比例,这是因为纯锡的融点高达232°C,不易用于一般的PCBA加工焊接,或者说目前的电子零件都无法达到这样的高温,所以必须以锡为主,然后加入其他合金焊料来降低其熔点,以达到可以量产并节省能源的主要目的,也可以降低电子零件耐温的门槛,因为绝大部分电子产品的使用与储存环境都只会在-40°C~+70°C之间而已,所以183°C的熔点真已经是绰绰有余了;其次要目的是可以改善焊点的韧度(Toughness)与强度(Strength)
 
一般的相图都会有α、β、γ等符号来表示相图中的固溶体,本锡铅相图只有二元,所以只用到α及β。这张相图的α指的是铅(Pb)的固溶体,而β则是锡(Sn)的固溶体。
 
αPb相区(CBA)为富铅的固溶体,但是锡会溶解在铅之中,锡变成了溶质,在这个相区,锡的溶解度有其上限,从C点开始,随着温度的上升(CB线)到183°C时(B点),锡的溶解度来也到最高的18.3%,当温度继续升高(BA线),锡的溶解度反而渐渐变少至零(A点)。
 
βSn相区则为富锡的固溶体,相对的铅则溶解在锡之中,铅变成了溶质。从H点开始,随着温度的上升(HG线)到183°C时(G点),锡的溶解度来也到最高的2.23%(=100-97.8),当温度继续升高(GF线),锡的溶解度反而渐渐变少至零(F点)。
  熔点 沸点 原子量 原子半径 共价半径
锡(Sn) 231.93°C 2602°C 118.69 140 pm 139±4 pm
铅(Pb) 327.46°C 1749°C 207.2 180 pm 147 pm
镍(Ni) 1455°C 2913°C 58.71 124 pm 124±4 pm
金(Au) 1064.18°C 2856°C 196.9665 144 pm 136±6 pm
银(Ag) 961.78°C 2162°C 107.868 144 pm 145±5 pm
铜(Cu) 1084.62°C 2562°C 63.546 128 pm 132±4 pm
铋(Bi) 271°C 1564°C 208.9804 160 pm 146 pm


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