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锡膏知识2007/07/25

锡膏知识

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5％～95％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。

锡合金之各种组成Solder Alloy Composltions

（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℃ 4℃

e)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。

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4～5kg/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3～3.5 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0.3－3％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（1－2％），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

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

JIS－Z－3282－1972

MIL

QQ－S－571d

B级

A级

S级

锑

铜

铋

铁

铝

砷

1.0以下

0.08以下

其它0.35

0.30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

0.005 以下

0.02 以下

0.005 以下

0.03 以下

0.2~0.5*

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QQ－S－571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J－STD－006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）	<0.003

1.2 对于锡膏的介绍

对于锡膏的要求是：

1. 极好的滚动特性。

2. 在印刷过程中具备低的黏度，印刷完成后有高的黏度。

3. 与钢网和刮刀有很好的脱离效果。

4. 在室内温度下不宜变干，而在预热温度下容易变干的特性。

5. 高的金属含量，低的化学成分。

6. 低的氧化性。

7. 化学成分和金属成分没有分离性。

1.2.1 有关锡膏粉末

1. 焊料粉末的制造

焊料粉末通常是采用高压惰性气体对熔融的焊料喷雾制成，然后根据尺寸分级，这种方法称为“液体金属雾化法”（ATOMIZATION OF LIQUID METALS）。合金粉末的收益率，形状，粒度，氧含量取决于：合金的融化温度，氮气喷雾的压力，喷嘴的结构尺寸及除氧防护等因素。

2. SOLDER POWDER 锡膏粉末的特性

3. 锡膏颗粒的形状

下图是焊料粉末放大后的形状，它可以分为有规则和无规则两种形态，对锡膏的使用工艺性有一定的影响。粉末的形状以球状最佳。它具有良好的印刷性能而不会出现堵塞孔眼的现象。此外，从几何学角度来看，球形粉末具有最小的表面积，相对而言，合金粉末有较低的含氧量，这对于提高焊接质量是有利的。然而，国外也有采用在球形粉末中加入一定量的非球形粉末，可以有效的阻止焊膏在融化时出现的流动。

4. 焊球的尺寸

焊料粉末的尺寸一般控制在30~50个纽，过粗的粉末会导致焊膏的黏结性能变差，细粒度的颗粒印刷性能好，但是价格比较贵。特别是粒度越细含氧量越大，带来焊接缺陷的几率也增大，对于锡膏的含氧量一般不超过50PPM，否则会引起焊接过程中的“锡珠”现象。

1.2.2 焊剂

用于制造焊锡膏的焊剂，其焊接功能与液态焊剂相同，但它又必须具备其他的条件。这种焊剂是合金粉末的载体，它与合金粉末的相对比重为1：7.3，相差极大，为了保证良好地混合在一起，本身应具备高黏度，因它具有一定的黏度又称为“糊状焊剂”。

优良的焊剂应具备下列条件：

1，焊剂应有高的拂点，以防止焊膏在再流焊的过程中出现喷射；

2，高的粘稠性，以防止焊膏在存放过程中出现沉淀；

3，低卤素含量，以防止再流焊后腐蚀元件；

4，低的吸潮性，以防止焊膏在使用过程中吸收空气中的水蒸气。

1.2.2.1 焊剂的组成

固体含量为50%---70%（W）；

树脂；

活化剂如乳酸，甲酸，有机氢化盐酸盐；

触变剂如氢化麻油；

助印剂如十三醇；

溶剂含量为30---50%（W）如高拂点溶剂乙二醇二丁醚等。

1.2.2.1.1 触变剂

有触变剂的焊膏，在外力如刮刀给予的剪切力的作用下，锡膏的黏性会下降，此时锡膏有良好的滚动性和流动性填充性，有利于锡膏的印刷。

1.2.2.1.2 助印剂

这是锡膏中特有的助剂，他可以帮助焊膏在印刷时顺利通过模板窗口，避免出现堵孔现象，常用十三醇。

1.2.2.1.3 溶剂

焊膏中溶剂一般是多组分组成，有不同拂点，极性和非极性溶剂混合组成，既能使各种助剂溶解，又能使焊膏有较好的储存寿命。

1.2.2.2 焊剂的活性

焊剂中通常含有卤素或有机酸成分，它能迅速消除被焊金属表面的氧化膜，降低焊料的表面张力，使焊料迅速铺展在被焊金属表面。但焊剂的活性太高也会引起腐蚀等问题。这要根据产品的要求进行选择。

按焊剂的活性，可分为：活性，中等活性，水洗，免清洗。见下表。

类型	性能	用途
RA	活性，松香型	消费类电子
RMA	中等活性	一般SMT
OA	水清洗	强活性，焊后需要水清洗
NC	免清洗	要求较高的SMT 产品