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PCBA大讲堂:锡膏中添加其他微量金属的目的为何?

发布时间 :2018-12-20 09:29 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳恒运娱乐捷PCBA加工部
到目前为止,「锡」仍然是最好的焊接材料 ,无铅锡膏的成分也是以「锡」为主体,只是移除了「铅」
纯锡的融点高达231.9°C,其实不利使用于一般的PCBA组装焊接,或者说目前仍然有些电子零件较不易达到这样的高温要求,所以电路板组装中的焊料必须以「锡」为主材料,然后加入其他的合金焊料,比如银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)、铋(Bi)…等微量金属,来降低其融点,以达到可以量产并节省能源的主要目的。
PCBA大讲堂:锡膏中添加其他微量金属的目的为何?
 
你知道在焊料中添加这些微量金属的目的是什么吗?
添加其他金属的次要目的则是用来改善焊点的特殊需求,比如说改善焊锡的韧度(Toughness)与强度(Strength),以得到较理想的机械、电气和热性能。
 
所以,当初在还未管制「铅」含量时,锡膏的组成多以锡铅Sn63Pd37为最大宗,其共熔点可以大幅下降到183°C,现在的无铅锡膏,比如说加入少许的银与铜作成SAC305(锡银铜),其共熔点也可以下降到217°C,而加入少许的铜及镍作成SCN(锡铜镍),其共熔点则变成227°C,全部都比纯锡的熔点来得低。
 
为什么原本两个熔点都很高的金属,以一定比率混在一起之后其共熔点反而会大大降低,这其实是个很有趣的题目,有兴趣的朋友可以先参考这一篇文章【锡铅的二元平衡金相图】。
 
截至目前为止,世界上还是以「锡」为电子零件最好的焊接材料,而通常拿来与锡配合使用的其他金属还包括有:银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)以及铋(Bi)…等,下面就这这些锡膏中可能包含的微量金属的特性及用途稍做说明:
银(Ag):
一般来说在锡膏中加入「银(Ag)」是为了改善焊接的润湿性,并用来加强焊点强度,提高抗疲劳性。添加了「银」有利产品通过冷热循环测试,不过「银」含量如果太高(重量比超过4%),焊点反而将会变脆。
 
铟(In):
「铟(In)」可能是到目前为止已发现金属中可以与「锡」形成合金熔点最低的元素,铟锡(52In48Sn)合金的最低温度可以来到120℃,而77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔点则更低,只有114℃。在某些特定场合低温焊料是一个比较好的选择,但就目前整个电子组装业界来说似乎不太合适。铟具有非常良好的物理和润湿性质,但是铟非常稀有,所以非常昂贵,也不具备大规模应用的可能性。
 
锌(Zn):
「锌(Zn)」是一种非常普遍的矿产,所以价格非常的便宜,几乎与铅的价格差多。锌锡合金的熔点虽然比纯锡低(91.2Sn8.8Zn熔点200°C)但是差异并不是那么明显,而且锌有个非常大的缺点,它会跟空气中的氧(O2)迅速发生化学反应,形成一层稳定的氧化物,阻碍焊锡的润湿性,在波峰焊过程中,这样的结果则会产生大量锡渣,甚至影响到焊接的品质。因此锌合金现代的焊接制程渐渐的被排除在外。
 
铋(Bi):
「铋(Bi)」在降低与锡合金的熔点上比表现也非常明显,Sn42Bi58的熔点则更低到只有138°C,而Sn64Bi35Ag1的熔点也只有178°C,如果是锡/铅/铋合金的熔点更可以低到只有96℃,「铋」具有非常好的润湿性质和较好的物理性质,无铅焊锡开始流行后其需求明显增加,最主要运用在某些无法高温焊接的产品上,比如某些照明用焊接在软板上的LED。
 
锡铋合金的焊点强度不足及脆性为其最大缺点,也就是其信赖度不佳,所以才会有人添加少量的「银」来 提升焊点强度与提升抗疲劳性,可惜其强度仍然差强人意,选用此类低温焊锡合金时须特别留意,或是辅以胶水强化其抗冲击及抗疲劳强度。
相关延伸阅读:焊接采用无铅低温锡膏SnBi, SnBiAg的目的?
 
镍(Ni):
将「镍(Ni)」添加到焊料内并不是为了降低熔点,在镍锡合金比率中反而100%纯锡的熔点是最低的,之所以在焊料中添加少量的「镍」纯粹是为了抑制焊接过程中铜基材的溶解,尤其是在波焊制程(Wave Soldeirng)中防止OSP板出现咬铜情形发生,一般波焊建议使用有添加「镍」的 SnCuNi (SCN) 合金的锡棒(Solder-bar)。
相关延伸阅读:电子工业中零件或电路板镀镍(Ni)的目的何在?
 
铜(Cu):
锡膏中加入少许的「铜(Cu)」可以加强焊锡的刚性,所以可以提升焊点强度,少量的铜也可以降低焊料对烙铁头的熔蚀作用,铜在锡膏中的含量通常要求要重量比在1%以内,如果超过1%将可能危害到焊接品质。


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