焊锡膏的主要成份及特性研究实验报告1

焊锡膏的主要成份及特性 研究实验报告 1 焊锡膏的主要成份及特性 研究是本实验的主要研究课题，大致讲来，焊锡膏的成份可分成两个大的部分，即助焊剂和焊料粉（ FLUX &SOLDER POWDER）。 对本实验的研究结果简述如下： （一）、助焊剂的主要成份及其作用： A、活化剂 (ACTIVATION)：该成份主要起到去除 PCB 铜膜焊盘表层及零件焊接部位的氧化物质的作用，同时具有降低锡、铅表面张力的功效； B、触变剂 (THIXOTROPIC) ：该成份主要是调节焊锡膏的粘度以及印刷性能，起到在印刷中防止出 现拖尾、粘连等现象的作用； C、树脂（ RESINS）：该成份主要起到加大锡膏粘附性，而且有保护和防止焊后 PCB 再度氧化的作用；该项成分对零件固定起到很重要的作用； D、溶剂（ SOLVENT）：该成份是焊剂组份的溶剂，在锡膏的搅拌过程中起调节均匀的作用，对焊锡膏的寿命有一定的影响； （二）、焊料粉： 焊料粉又称锡粉主要由锡铅合金组成，一般比例为 63/37；另有特殊要求时，也有在锡铅合金中添加一定量的银、铋等金属的锡粉。概括来讲锡粉的相关特性及其品质要求有如下几点： A、锡粉的颗粒形态对锡膏的工作性能 有很大的影响： A-1、重要的一点是要求锡粉颗粒大小分布均匀，这里要谈到锡粉颗粒度分布比例的问题；在国内的焊料粉或焊锡膏生产厂商，大家经常用分布比例来衡量锡粉的均匀度：以 2545 m 的锡粉为例，通常要求 35 m 左右的颗粒分度比例为 60%左右， 35 m 以下及以上部份各占 20%左右； A-2、另外也要求锡粉颗粒形状较为规则；根据“中华人民共和国电子行业标准锡铅膏状焊料通用规范（ SJ/T 11186-1998）”中相关规定如下：“合金粉末形状应是球形的 ,但允许长轴与短轴的最大比为 1.5 的近球形状粉末 。如用户与制造厂达成协议，也可为其他形状的合金粉末。”在实际的工作中，通常要求为锡粉颗粒长、短轴的比例一般在 1.2 以下。 A-3、如果以上 A-1 及 A-2 的要求项不能达到上述基本的要求，在焊锡膏的使用过程中，将很有可能会影响锡膏印刷、点注以及焊接的效果。 B、各种锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同，选择锡膏时，应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面，去选择不同的锡膏； B-1、根据“中华人民共和国电子行业标准锡铅膏状焊料通用规范（ SJ/T 11186-1998）” 中相关规定，“焊膏中合金粉末百分(质量 )含量应为 65%-96%,合金粉末百分 (质量 )含量的实测值与订货单预定值偏差不大于 1%”；通常在实际的使用中，所选用锡膏其锡粉含量大约在 90%左右，即锡粉与助焊剂的比例大致为90： 10； B-2、普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在 89-91.5%的锡膏； B-3、当使用针头点注式工艺时，多选用锡粉含量在 84-87%的锡膏； B-4、回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件（阻容器件）端头高度方向上有 1/3 至 2/3 高度焊料爬升，而焊锡膏中金属合金的含量 ，对回流焊焊后焊料厚度（即焊点的饱满程度）有一定的影响 C、锡粉的“低氧化度”也是非常重要的一个品质要求，这也是锡粉在生产或保管过程中应该注意的一个问题；如果不注意这个问题，用氧化度较高的锡粉做出的焊锡膏，将在焊接过程中严重影响焊接的品质。 焊锡的原理是什么 ? 第一章 焊 锡 原 理 在研究焊锡工程所用的材料之前，我们必须先清楚地了解焊锡的基本原理否则，我们便无法用目视来检验焊锡后锡铅合金与各种零件所形成的焊点是否标准 第一节 润 湿 WETTING 焊锡的定义中可以发 现润湿是焊接过程中的主角所谓焊接即是利用液态的銲锡润湿在基材上而达到接合的效果这种现象正如水倒在固体表面一样，不同的是銲锡会随著温度的降低而凝固成接点当銲锡润湿在基材上时，理论上两者之间会以金属化学键结合，而形成一种连续性的接合，但实际状况下，基材会受到空气及周边环境的侵蚀，而形成一层氧化膜来阻挡銲锡，使其无法达到较好的润湿效果其现象正如水倒在涂满油脂的盘上，水只能聚集在部份的地方，而无法全面均匀的分布在盘子上如果我们未能将基材表面的氧化膜去除，即使勉强沾上銲锡，其结合力量还是 非常的弱 焊接与胶合的不同 当两种材料用胶粘合在一起，其表面的相互粘著是因為胶给它们之间的机械键所致 因為胶不容易在两者之间固定，所以光亮的表面无法像粗糙或蚀刻的表面粘眷性那么好胶合是一种表面现象，当胶是潮湿状态时，它可以从原釆的表面被擦掉 焊接是銲锡和金属之间形成一金属化学键，銲锡的分子穿入基材表层金属的分子结构，而形成一坚固、完全金属的结构当銲锡熔解时，也不可能完全从金属表面上把它擦掉，因為它已变成基层金属的一部份 润湿和无润湿 Wetting&Non-wetting 一块涂有油脂的金属薄板浸到水中，没有润湿现象，此时水会成球状般的水滴，一摇即掉，因此，水并未润湿或粘在金属薄板上 如将此金属薄板放入热清洁溶剂中加以清洗，并小心地干燥，再把它浸入水中，此时水将完全地扩散到金属薄板的表面而形成一薄且均匀的膜层，怎么摇也不会掉，即它已经润湿了此金属薄板 清 洁 当金属薄板非常干净时，水便会润湿其表面，因此，当銲锡表面和金属表面也很干净时，銲锡一样会润湿金属表面，其对清洁程度的要求远比水于金属薄板上还要高很多，因為銲锡和金属之间必须是紧密的连 接，否则在它们之间会立即形成一很薄的氧化层不幸的是，几乎所有的金属在曝露于空气中时，都会立刻氧化，此极薄的氧化层将妨碍金属表面上銲锡的润湿作用 在第三章我们将讨论助焊剂有克服此问题的功能 注一：焊锡是指 60/40 或 63/37 的锡铅合金 注二： WEETTING:其中文的意思是润湿或润焊 注三：基材：泛指被焊金属，如 PCB 或零件脚 毛细管作用 如将两片干净的金属表面合在一起后，浸入熔化的銲锡中，銲锡将润湿此两片金属表面并向上爬升，以填满相近 表面之间的间隙，此為毛细管作用 假如金属表面不干净的话，便没有润湿及毛细管作用，銲锡将不会填满此点 当电镀贯穿孔的印刷线路板经过波峰锡炉时，便是毛细管作用的力量将锡贯满此孔，并在印刷线路板上面形成所谓的焊锡带并不完全是锡波的压力将銲锡推进此孔 表面张力 我们都看过昆虫在池塘的表面行走而不润湿它的脚，那是因為有一看不到的薄层或力量支持著它，这便是水的表面张力同样的力量是使水在涂有油脂的金属薄板上维持水滴状，用溶剂加以清洗会减少表面张力，水便会润湿和形成一薄层 在第三章，我们 将会知道助焊剂在金属表面上的作用就像溶剂对涂有油脂的金属薄板一样溶剂去除油脂，让水润湿金属表面和减少表面张力助焊剂将去除金属和銲锡间的氧化物，好让銲锡润湿金属表面 在銲锡中污染物会增加表面张力，因此必须小心地管制銲锡温度也会影响表面张力，即温度愈高，表面张力愈小 润湿的热动力平衡 焊锡的用途及焊锡分类 焊锡的用途及焊锡分类资料介绍 焊料是一种熔点比被焊金属熔点低的易熔金属。焊料熔化时，在 被焊金属不熔化的条件下能润浸被焊金属表面，并在接触面处形成合金层而与被焊金属连接到一起。在一般电子产品装配中，主要使用锡铅焊料，俗称为焊锡。 (1)常见焊锡的成分及作用 焊锡的主要作用就是把被焊物连接起来，对电路来说构成一个通路。 成 份 熔点 用途 锡（ %） 铅（ %） ( ) 30 70 240 焊接粗的白铁 33 67 242 焊接锌皮，镀锌铁皮 40 60 223 焊接黄铜皮、马口铁皮、电子元件 52 48 150左右 焊接小黄皮，电子元件 (2)常用焊锡具备的条件 1)焊料的熔点要低 于被焊工件。 2)易于与被焊物连成一体，要具有一定的抗压能力。 3)要有较好的导电性能。 4)要有较快的结晶速度。 什么是无铅焊锡 无铅焊锡技术不是新的。多年来，许多制造商已经在一些适当位置应用中使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。可是，今天无铅焊锡研究的目的是要决定哪些合金应该用来取代现在每年使用的估计 50,000 吨的锡 -铅焊锡。取消资源丰富价格便宜的 (大约每磅 0.40 美元 )铅，代之以另外的元素，原材料的成本可能增加许多。 选择用来取代铅的材料必须满足各种要求： 1.它们必须在世界范围内可得到，数量上满足全球的需求。某些金属 - 如铟 (Indium)和铋 (Bismuth) - 不能得到大的数量，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 2.也必须考虑到替代合金是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉 (Cadmium)和碲 (Tellurium)，是毒性的；其它金属，如锑 (Antimony)，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 3.替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰 焊用的锡条、以及预成型 (preform)。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。 4.替代合金还应该是可循环再生的 - 将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并增加成本。 不是所有的替代合金都可轻易地取代现有的焊接过程。美国国家制造科学中心 (NCMS, the National Center for Manufacturing Sciences)在 1997 年得出结论，对共晶锡 -铅焊锡没有“插入的 (drop-in)”替代品。 1994 年 完成的，作为欧洲 IDEALS 计划一部分的研究发现，超过 200 种研究的合金中，不到 10种无铅焊锡选择是可行的。 数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括，锡 (Sn, tin)、铜(Cu, copper)、银 (Ag, silver)和锑 (Sb, antimony)。商业上可行的一些无铅焊锡的例子包括， 99.3Sn/0.7Cu, 96.5Sn/3.5Ag, 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu, 96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。混合在这些替代合金内的所有这些元素具有与锡 -铅焊锡不同的熔点、机 械性能、熔湿特性和外观。现在工业趋向于使用接近共晶的锡银铜 (near-eutectic-tin-silver-copper)合金。 多数无铅合金，包括锡 -银 -铜，具有超过 200 C 的熔点 - 高于传统的锡 -铅合金的大约 180 C 的熔点。这个升高的熔点将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点可能是一个关注，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度 (图一 )。设计者现在正在研究替代的基底材料，可忍受更高的温度，以及各向异性的 (anisotropic)导电性胶来取代倒装芯片和元件 包装应用中的焊锡。 无铅合金的较高熔化温度可提供一些优势，比如，提高抗拉强度和更好的温度疲劳阻抗、使其适合于象汽车电子元件这样的高温应用。 电路板与元件的表面涂层也必须与无铅焊锡兼容。例如，铜表面涂层的板面上的焊接点可能在机械上和外观上都受较高的无铅焊锡的表面贴装技术 (SMT)回流焊接温度的影响，它可能造成锡与铜之间有害金属间化合物的形成。无铅焊锡的外观也是不同的(比如，某些配方看上去光亮但比传统的锡 -铅焊锡缺少一点反光性 )，可能要求标准品质控制程序的改变。最后，因为现在没有高含铅 (high-lead-bearing)焊锡的替代品存在，所以完全的无铅装配还是不可能的。 虽然现在的助焊剂系统与锡 -铅焊锡运作良好，无铅替代合金将不会在所有的板元件表面涂层上同样的表现，不会容易地熔湿 (wet)以形成相同的金属间化合物焊接类型。因此可能需要改善助焊剂，提高熔湿性能，减少 BGA 焊接中的空洞。 理想的无铅焊锡合金将提供制造商良好的电气与机械特性、良好的熔湿 (wetting)能力、没有电解腐蚀和枝晶的 (dentritic)增长的问题、可接受的价格、和现在与将来各种形式的可获得性。焊锡将使 用传统的助焊剂系统，不要求使用氮气来保证有效的熔湿。 满足波峰焊接、 SMT 和手工装配要求的无铅替代品今天都可在市场买到，虽然在元件无铅合金、电路板表面涂层兼容性、助焊剂系统开发和工艺问题上要求更多的研究。 随着人类文明的进步，人们的环境意识正逐渐增强。保护自然环境，减少工业污染，已越来越受到人们的关注。无铅焊锡关键在“无铅”，出于环保的要求，特别在食品罐头的生产上为防止铅污染，要求更严，不得在材料中含有铅。 无铅焊锡的主要成分是锡，熔点是 232，与其他金属如银、铋、锌等组成合金体系。 Sn-Ag 系无铅焊锡的熔点为 221，与 Sn-Pb 体系焊锡的很多情况较接近，多有应用。在 Sn-Ag 体系中，适当加入一些铜，除了熔点有所降低外，还提高了焊接可靠性。作为Sn-Ag 系无铅焊锡的最大特征，是耐热疲劳性明显优于 Sn-Pb 体系焊锡。使用在要求接合部长期可靠性的机器中最合适。作为 Sn-Pb 体系焊锡替代品使用， Sn-Ag 系无铅焊锡的主要问题是熔点偏高，另外与 Sn-Pb 体系焊锡比成本也较高。 Sn-Zn 系无铅焊锡的拉伸强度、初期强度、长时间强度变化都比 Sn-Pb 系焊锡优越，延展性也与 Sn-Pb 系焊锡具有相同值 ，另外， Zn 的毒性也弱，成本也低。若从焊锡合金的机械强度、熔点、成本和毒性等方面考虑， Sn-Zn 系无铅焊锡替代 Sn-Pb 系焊锡很合适。但 Sn-Zn 系焊锡也存在不足之处： Zn 稳定性不好，易氧化；需选用有效