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电子产品组装过程用辅助材料及其应用-作者：-日期：您要打印的文件是：电子产品组装过程用辅助材料及应用 打印本文电子产品组装过程用辅助材料及应用作者：佚名转贴自：本站原创点击数：77 电子产品组装过程用辅助材料及应用在制造过程中不便具体定位，但又是必不可少的物料，统称之为辅助材料。具体到各种辅助材料，它们的品类很多，但就其功能而言，它们不外乎是焊料、助焊剂、胶粘材料和清洗剂四种。一、焊料焊料，随着焊接方法 不同，其材料是多种多样的。这里所指的材料是软钎焊及其材料。在电子组装中，软钎焊的焊料主要是指铅（Pb）锡（Sn）合金。随着其用途不同，其含铅量在595的范围内变化。此外还有含锑（Sb）和银（Ag）的焊料，并有由含铋（Bi）、镉（Cd）及锌（Zn）组成的低温焊料和无铅焊料，这些焊料的熔点变化及其金属成份如下图所示：1.1 铅锡合金软钎焊是利用热使焊料熔化，使两种或多种不熔化的母材实现机械和电器联接的方法，它是一种最古老的焊接方法，远在铁器时代，人类就已经采用这种钎焊方法了。1.1.1 锡锡是一种延展性很好的银白色金属，在常温下的物理化学性质都相当稳定。（1）物理性质锡乃软质低熔点金属，有两种晶格结构，即a锡和b锡，a锡称为灰锡，b锡又称为白色锡，其变相温度为13.2，在13.2以上乃b锡，当温度低于50时，金属锡便变为粉末状的灰锡。在俄国的沙皇时代，其军大衣的钮扣曾用锡铸造，可是，在一个严寒的冬天，发现这些钮扣不翼而飞，在相应的地方只留下一滩滩灰色的粉末。其实就是这种变化所造成的。此外，纯锡还会生长出一种锡须的须状物，若发生在电子组装板上，就可能导至电子电路的短路，因此，纯锡不能用于电子组装。焊锡合金之各种组成Solder Alloy Composltions组 代 成号锡铅锑铋 max.银 max.铜 max.铁 max.锌 max.铝 max.砷 max.镉 max.其他杂质总量近似溶点固化液化Sn96余 量0.10，max3.604.40 0.200.0050.050.005221221Sn7069.571.5余 量0.200.500.25 0.080.020.0050.0050.030.08183193Sn3662.563.5余 量0.200.500.25 0.080.020.0050.0050.030.08183183Sn6361.562.5余 量0.200.500.251.752.250.080.020.0050.0050.030.08179179Sn6059.561.5余 量0.200.500.250.080.020.0050.0050.030.08183191Sn5049.551.5余 量0.200.500.250.080.020.0050.0050.250.08193216Sn4039.541.5余 量0.200.500.250.080.020.0050.0050.020.08193238Sn3534.536.5余 量1.602.000.250.080.050.0050.0050.020.08185243Sn3029.531.5余 量1.401.800.250.080.020.0050.0050.020.08185250Sn2019.521.5余 量0.801.200.250.080.020.0050.0050.020.08184270Sn109.011.0余 量0.20.max0.031.702.400.080.0050.0050.020.40268290Sn54.55.5余 量0.50.max0.250.080.020.0050.0050.020.08308312Sb594.0,min,0.20.max4.006.000.080.080.0050.0050.050.030.03235240Sb80余 量78.580.50.200.500.250.080.020.0050.0050.020.08183277Sb70余 量68.570.50.200.500.250.080.020.0050.0050.020.08183277Sb65余 量63.565.50.200.500.250.080.020.0050.0050.020.08183246Ag1.50.751.25余 量0.40.max.0.25131.700.300.020.0050.0050.020.08309309Ag2.50.25,max余 量0.40.max.0.252.32.700.300.020.0050.0050.020.03304304Ag5.50.25,max余 量0.40.max.0.255.06.000.300.020.0050.0050.020.03304380（2）化学性质锡的化学性质如下：a)在大气中耐腐蚀性能好，不受水、氧气、二氧化碳的作用，不失去金属光泽。b)能抗有机酸的腐蚀，对中性物质来说，有较高的抗腐蚀性。c)锡是一种两性金属，能与强酸和强碱起化学反应。1.1.2 铅铅也属于一种易加工的软质金属，是一种灰白色金属，大量地摄入对人体有害。（1）物理性质a)比重大，密度大b)膨胀系数大c)导电率低d)熔点低327 4e)有润滑性纯金属铅也不宜用于电子装联（2）化学性质a)化学性质稳定：不与空气、氧、海水、含有氯成份的水，苯酚、碳酸钠、食盐、丙酮、氢氟酸等起反应。b)基本不被乙炔、无水醋酸、硫酸与硝酸的混合物腐蚀。c)稍受醋酸、柠檬酸、盐酸腐蚀d)受硝酸、氧化镁严重腐蚀1.1.3 铅锡合金前面已经谈到，不论是纯锡或是纯铅都不宜用于电子装联，而只是采用它们的合金，在实际应用中，Sn63Pb37的熔点最低，在电子装联中用量最大。在论及铅锡合金时，必定要从金相学的角度而讨论其相图，从相图上可以读出，不论是纯锡或是纯铅它们的熔点都比较高，铅的熔点是327.4，而锡的熔点是238.9，将它们熔化在一起形成铅锡合金后，在相图中的E点（Sn62.7，Pb37.3）这个组成部分的合金的熔点最低，只有183，并且由固态直接变为液体，而冷却的时后又是直接由液体变为固态。而另何其他成份的金属都会要经过一个固液共存的膏状态。而且熔点也普遍升高。在相图中，E点称为共晶点，BEC称为共晶线AED为液态线ABE、ECD为固相线，在这些线的下部，任何比例的合金都呈固态。在固相线和液相线之间的部分为半熔融态或称之为膏状态。1.2.4 焊料中铅的作用在焊接过程中，从冶金学的角度来看，金属锡会与母材表层形成合金。而铅在任何情况下，几乎不起反应。那么，为什么还要把铅作为焊料的一种成分呢？下面，就阐述铅的作用。在锡中加入铅后，可获得锡和铅都不具备的优良特性，其内容如下。（1）降低熔点，便于焊接232以下，锡是不会熔化的。不达到327铅也不会熔化。两者比焊料的熔化温度183高。如将锡铅两种金属混合，就可获得比两种金属熔点都低的焊料。因其熔点低，所以操作时比较方便。（2）改善机械特性锡的抗拉强度约为1.5kg/mm2，铅约为1.4kg/mm2。如果将两者混合起来组成焊料时，抗拉强度可达45kg/mm2左右。剪切强度也如此，锡约为2kg/mm2，铅约为1.4kg/mm2，二者组成焊料后，约为33.5 kg/mm2。焊接后，这个值会变得更大。这样一来，机械特性就得到很大的改善。（3）降低界面张力焊料的扩散性，即润湿性，会因表面张力及粘度的下降得到改善，从而增大了流动性（见表2.3及图2.3）（4）抗氧化，铅是稳定的金属，不易氧化，使焊点抗氧化性能增加。（5）锡中加入铅可以免灰锡的影响。（6）避免产生晶须；随着金属铅的加入，含锡量70以下的各种铅锡焊料，都可以避免锡须的产生。1.1.4 焊料中的杂质及其影响焊料中有微量其它金属以杂质的形式混入。有些杂质是无害的，有些杂质则不然，即使混入微量，也会对焊接作和焊接点的性能造成各种不良影响。另外，根据不同的含量，有的反而能起到改善焊料特性的作用，这就不能单纯地作为杂质来处理了，此时的焊料就被称为“掺某某焊料”。（1）主要杂质的性质焊料的主要成分是锡和铅，除此之外，含有的微量金属即为杂质。杂质对焊料的性能会产生很大的影响，由于含量的不同也会产生很大的差异。下面，就介绍杂质金属及含有这些杂质金属的焊料的一般特性。a)锌（Zn）：如含量达0.001%左右，其影响就会表现出来；如达0.01%，就会对焊点的外观，焊料的流动性及润湿性造成不良影响。它是焊接工作中最忌讳的金属之一。b)铝（Al）：此金属也对焊料的流动性和润湿性有害，它不但影响外观和操作，而且容易发生氧化和腐蚀。含量达0.001%时，其影响就会表现出来。c)镉（Cd）：它具有降低熔点的作用，并能使焊料的晶粒变得粗大而失去光泽。如含量超过0.001%，就会使流动性（氧化物等所谓非金属夹杂物的存在会降低焊料的流动性，增大粘性）降低，焊料则会变脆。d)锑（Sb）：可使焊料的机械强度和电阻增大。当含量在0.33时，焊点成形极好。如含量在6以内，不但不会出现不良影响，还可以使焊点的强度增加。又因可增大焊料的蠕变阻力，所以可用在高温焊料中。当含量超过6时，焊料会变得脆而硬，流动性和润湿性变差，抗腐蚀性减弱。另外，含锑的焊料不适于含锌的母材。e)铋（Bi）：铋可使得焊料熔点下降，并变脆。f)砷（As）：即使含量很少，也会影响焊点外观，使硬度和脆性增大，但可使流动性略有提高。g)铁（Fc）：熔点增高，不易操作，还会使焊料带上磁性。h)铜（Cu）：熔点增高，增大结合强度。如含量在1以内，则会使蠕变阻力增加。另外，焊料中含有少量的铜（12），可以抑制焊锡对电烙铁头的熔蚀（因铜和锡相互扩散引起），并可用于焊接细线。i)磷（P）：量小时会增加焊料流动性，量大时则会蚀电烙铁头。表2.9所示为焊料杂质含量对操作和结合性能影响的实验结果。表中列举的锌、铝、镉等杂质均属有害杂质，即使是0.001%的含量，不但会使焊点外观变差，而且会明显地影响润湿性和流动性，给焊接工作增加困难。表2.9 焊料的杂质和各种特性杂质机械特性焊接性能熔化温度变化其 它锑 铋 锌 铁 铝 砷 磷 镉 铜 镍 银 金拉抗 强度增大，变脆 变脆 结合力减弱 脆而硬 变脆 脆而硬 变脆 超过5容易产生气体 变脆润湿性流动性降低 流动润湿性降低 不易操作 流动性降低 流动性提高一些 少量会增加流动性影响光泽，流动性降低 焊接性能降低 需活性焊剂 适用于陶瓷 失去光泽熔化区变窄 熔点降低 熔点提高 熔化区变宽 熔点提高 熔点提高 熔点提高电阻增大 冷却时产生裂纹 多孔表面晶粒粗大 带磁容易附在铁上 容易氧化、腐蚀 形成水泡状、针状结晶 熔蚀铜 多孔、白色 粒状不易溶化合物 形成水泡状结晶 耐热性增加 呈白色表2.10 焊料杂质的标准值杂质JISZ32821972MIL QQS571dB级A级S级锑 铜 铋 铁 铝 砷1.0以下 0.08以下 其它0.350.30以下 0.05以下 0.05以下 0.005 以下 0.03 以下 0.005 以下 0.03 以下0.10 以下 0.03 以下 0.03 以下 0.005 以下 0.02 以下 0.005 以下 0.03 以下0.20.5* 0.08 以下 0.25 以下 0.005 以下 0.02 以下 0.005 以下 0.03 以下* MIL标准中的杂质容许植，因含锡百分比略有不同。最近，随着电子设备、零部件和元器件向小型化发展，对焊接的要求更严格了。以前，联邦标准QQS571是保证焊接达到合乎要求的某一最低水平的一个标准。此标准至今还很有效，但从使用情况来看，其中规定的杂质容许值偏高。1.1.5 铅锡合金产品对于铅锡合金除了按其百分比构成不同而派生出很多种合金外。成份为Sn63Pb37的焊料，从形状和用途上又分为1、锡条锡条，就形态上又分为两类a.铅锡合金电镀阳极棒用于电镀b.普通焊锡条用于各种焊接按制造工艺分类a.铸造成型结构疏松、夹渣较多、表面粗糙b.锻压成型结构紧密，表面光洁c.真空铸造成型结构紧密，表面光洁锡条通常用于波峰焊，浸焊等需要大量使用焊锡的工序，前面已经讨论过杂质对焊点可能造成的危害，因此，必须将有害杂质量的量控制在一定的范围内，按JSTD006的规定：焊锡中有害杂质的允许含量铅锡焊料中有害杂质含量一览表杂质金属允许含量杂质金属允许含量银（Ag）0.05铝（Al）0.005砷（As）0.03金（Au）0.05铋（Bi）0.10镉（Cd）0.002铜（Cu）0.08铁（Fe）0.02铟（In）0.10镍（Ni）0.01锑（Sb）0.50锌（Zn）0.0031.1.6 确定焊料成份的方法密 度利用第四章第三节四条给出的公式或图4.30，由密度可以求得锡铅合金的锡含量。冷却曲线计算焊料成份可以用焊冷却曲线。对此不详细讨论（见第四章第二节二条）。这里要提一下的是：冷却曲线的形状与决定曲线的方法有关，因此常常有必要将它们与标准曲线进行比较。仪器法可以采用很多方法：（1）用b射线仪测量（b背散射法）；（2）X射线萤光分析：该方法还可用于确定焊槽内的被沾污情况（As、Fe和Al除外）。借助一些措施，像样品整个的均匀化，制作良好的校准标准以及元素间校正等，精确度可达5；所以，在这种情况下R因此，r8525千克/立方米。GO钓子的重量GS钩子试样重量GSW钩子试样浸在水中的重量（水中已加了一、二滴表面活性物质）GOW钩子浸入水中的重量（浸入的深度与以上测量大体相同）1.1.8 调整焊料槽的锡铅比当两种不同的锡铅合金混合时，总质量为：M总M1M2；如果合金中锡的百分比为m1，则混合后锡的百分比为：通常，希望有一定的锡百分比m锡，而m1（焊槽内锡的百分比），m2（添加合金的锡的百分比），M1（焊槽内合金的质量）是已知的，而M2是所要求的。于是：实例：焊槽内有10千克焊料其含锡量为55。如果要把含锡量提高到60，该焊槽要加多少锡？M110；m1=55；m2100；m锡60：因此，要使焊槽达到共晶成份（62锡）需要1.84千克锡（图4.30）。如果添加的是含80锡的合金而不是纯锡，为使焊槽内含62的锡，需要加入大约3.9千克的合金。（iii）X射线衍射仪，精度大约为20；（iV）极化图；这种电化学法非常灵敏精确，但较费事；（V）原子吸收光谱仪：本仪器广泛用于决定杂质和少量合金添加剂，对于焊料的主要成份它给出的精度大约是1.5。所有这些方法都需要专门的设备。辐射法通常用于样准标准，用试验样品与它比较。可是，焊料的标准即使在室温下也会老化。所以一定要考虑系统误差。例如，一块锡一铅共晶校准样品，一年之后，由于析出的影响可以发生很大的变化，以致从X射线衍射仪上显示出来试样的含锡量已超过1。湿化学法对于软焊料合金，这种方法仍然是最可靠的。美国材料试验标准、英国标准等给出了标准方法。1.1.7 确定焊料合金密度的方法用个勺子从焊槽中取出适量的合金（大约5立方厘米）。在波峰焊焊槽内，要直接从波上取焊料；在静止槽内，必须先刮去氧化膜，并搅动焊槽，然后再取焊料。把勺子里的焊料倒入一个含几毫升聚二醇的试样浅盒内（剩下的焊料可以回焊槽）。为了得到光滑的试样，试样的收缩凹坑适合于表面，因此一定要让焊料在不受振动和没有气流的地方慢慢地冷却。为了这一目的，要把浅盒放在几条聚四氟乙烯或硬纸板上，如果有必要，还得加上盖。在样品的一端，穿一个直径为2到4毫米的孔，以便秤重时可以用简单的方法把样品挂起来，而且还抑制了细孔和裂缝的产生。然而，将样品进行彻底地清洗，先用水再用酒精。密度可以从下式计算得：P式中用到的符号的意义如图4.29所示。为了精确计算，一定要考虑温度对水的密度的影响，但在多数情况下，用r998千克/立方米（在22下成立）精度已足够。取r1000千克/立方米，系统上给出的密度过高（如price和Smith表）。这种确定密度的方法的精度依赖于制备无细孔和无裂缝样品成功的程度，这就是为什么必须十分小心地制备样品的原因。即使这样，精度不会高于0.5。按照这个精度，焊料合金含锡量的计算精度约在1之内。这个方法是应用阿基米德定律来测量试样的体积，为得到尽可能准确的数字，制作试样和浸入水中都应小心避免产生气泡，气泡的产生会使金属测得体积比实际体积偏大，也将直接影响测量精度。GO0.2159克GS34.3938GSW0.2077T221.1.9 波峰焊锡槽中杂质的清除熔融的铅锡合金对于许多金属而言，它是一个很好的溶剂，其中金、银、铜在熔融焊锡中溶解最快。如果零件上镀上了金，几个微米厚的金层会在很短的时间内被溶掉，从金属在静止锡槽中的溶解速率图可知，在焊接温度（低于260）范围内金与银的溶解速率最快，而镍的溶解速率最小，因而被波峰焊的锡槽可以用不锈钢（镍、铁合金）制作。从图中也可以确定，只要采用较低的焊接温度，就可降低杂质金属的溶解速率，既可保护镀金等的待焊元件，又可降低锡槽的受程度 。一般说来，金、银、铝、铁、镍、锌等杂质引入的机会不会太多，在焊接作业现场要清除这样杂质几乎是不可能的，如果上述杂质的引入确实达到危害焊点可靠性的程度，唯一的办法是彻底更换锡槽中的焊锡。但是，不论是印刷线路板（PWB），还是元件的引脚，它们大多是用铜制作，既使是已经热风整平喷锡 印刷线路板，或是热镀锡的引脚，它们用于粘锡的锡槽内，含铜量都普遍偏高，在浸焊