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PCBA大講堂:錫膏中添加其他微量金屬的目的為何?

發布時間 :2018-12-20 09:29 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA加工部
到目前為止,「錫」仍然是最好的焊接材料 ,無鉛錫膏的成分也是以「錫」為主體,只是移除了「鉛」
純錫的融點高達231.9°C,其實不利使用于一般的PCBA組裝焊接,或者說目前仍然有些電子零件較不易達到這樣的高溫要求,所以電路板組裝中的焊料必須以「錫」為主材料,然后加入其他的合金焊料,比如銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)、鉍(Bi)…等微量金屬,來降低其融點,以達到可以量產并節省能源的主要目的。
PCBA大講堂:錫膏中添加其他微量金屬的目的為何?
 
你知道在焊料中添加這些微量金屬的目的是什么嗎?
添加其他金屬的次要目的則是用來改善焊點的特殊需求,比如說改善焊錫的韌度(Toughness)與強度(Strength),以得到較理想的機械、電氣和熱性能。
 
所以,當初在還未管制「鉛」含量時,錫膏的組成多以錫鉛Sn63Pd37為最大宗,其共熔點可以大幅下降到183°C,現在的無鉛錫膏,比如說加入少許的銀與銅作成SAC305(錫銀銅),其共熔點也可以下降到217°C,而加入少許的銅及鎳作成SCN(錫銅鎳),其共熔點則變成227°C,全部都比純錫的熔點來得低。
 
為什么原本兩個熔點都很高的金屬,以一定比率混在一起之后其共熔點反而會大大降低,這其實是個很有趣的題目,有興趣的朋友可以先參考這一篇文章【錫鉛的二元平衡金相圖】。
 
截至目前為止,世界上還是以「錫」為電子零件最好的焊接材料,而通常拿來與錫配合使用的其他金屬還包括有:銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)…等,下面就這這些錫膏中可能包含的微量金屬的特性及用途稍做說明:
銀(Ag):
一般來說在錫膏中加入「銀(Ag)」是為了改善焊接的潤濕性,并用來加強焊點強度,提高抗疲勞性。添加了「銀」有利產品通過冷熱循環測試,不過「銀」含量如果太高(重量比超過4%),焊點反而將會變脆。
 
銦(In):
「銦(In)」可能是到目前為止已發現金屬中可以與「錫」形成合金熔點最低的元素,銦錫(52In48Sn)合金的最低溫度可以來到120℃,而77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點則更低,只有114℃。在某些特定場合低溫焊料是一個比較好的選擇,但就目前整個電子組裝業界來說似乎不太合適。銦具有非常良好的物理和潤濕性質,但是銦非常稀有,所以非常昂貴,也不具備大規模應用的可能性。
 
鋅(Zn):
「鋅(Zn)」是一種非常普遍的礦產,所以價格非常的便宜,幾乎與鉛的價格差多。鋅錫合金的熔點雖然比純錫低(91.2Sn8.8Zn熔點200°C)但是差異并不是那么明顯,而且鋅有個非常大的缺點,它會跟空氣中的氧(O2)迅速發生化學反應,形成一層穩定的氧化物,阻礙焊錫的潤濕性,在波峰焊過程中,這樣的結果則會產生大量錫渣,甚至影響到焊接的品質。因此鋅合金現代的焊接制程漸漸的被排除在外。
 
鉍(Bi):
「鉍(Bi)」在降低與錫合金的熔點上比表現也非常明顯,Sn42Bi58的熔點則更低到只有138°C,而Sn64Bi35Ag1的熔點也只有178°C,如果是錫/鉛/鉍合金的熔點更可以低到只有96℃,「鉍」具有非常好的潤濕性質和較好的物理性質,無鉛焊錫開始流行后其需求明顯增加,最主要運用在某些無法高溫焊接的產品上,比如某些照明用焊接在軟板上的LED。
 
錫鉍合金的焊點強度不足及脆性為其最大缺點,也就是其信賴度不佳,所以才會有人添加少量的「銀」來 提升焊點強度與提升抗疲勞性,可惜其強度仍然差強人意,選用此類低溫焊錫合金時須特別留意,或是輔以膠水強化其抗沖擊及抗疲勞強度。
相關延伸閱讀:焊接采用無鉛低溫錫膏SnBi, SnBiAg的目的?
 
鎳(Ni):
將「鎳(Ni)」添加到焊料內并不是為了降低熔點,在鎳錫合金比率中反而100%純錫的熔點是最低的,之所以在焊料中添加少量的「鎳」純粹是為了抑制焊接過程中銅基材的溶解,尤其是在波焊制程(Wave Soldeirng)中防止OSP板出現咬銅情形發生,一般波焊建議使用有添加「鎳」的 SnCuNi (SCN) 合金的錫棒(Solder-bar)。
相關延伸閱讀:電子工業中零件或電路板鍍鎳(Ni)的目的何在?
 
銅(Cu):
錫膏中加入少許的「銅(Cu)」可以加強焊錫的剛性,所以可以提升焊點強度,少量的銅也可以降低焊料對烙鐵頭的熔蝕作用,銅在錫膏中的含量通常要求要重量比在1%以內,如果超過1%將可能危害到焊接品質。


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