《焊料合金》PPT课件.ppt

1,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,第6讲 焊料合金,2,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,电子组装焊料是一种易熔金属，是通过其自身吸热融化将两种或多种不熔化的母材实现机械和电气联接的一种材料。在电子组装中，传统使用的软钎焊的焊料主要是指锡（Sn）铅（Pb）合金。人们现在认识到铅（Pb）的危害，开始广泛的开发使用以锡（Sn）为基不含铅的无铅焊料。,3,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,6.1 焊料合金的成分及作用,用于电子组装的焊料，都是软钎焊钎料，其主要的成分是锡、铅、银、铋、铟等元素。软铅焊接是一种古老的焊接方法，远在铁器时代，人类就已经采用这种钎焊方法了，当时的焊料就是锡铅合金.,4,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,1、锡的物理性质：,锡，原子序数50，原子量118.71，元素名来源于拉丁文。在约公元前2000年，人类就已开始使用锡。锡在地壳中的含量为0.004%，几乎都以锡石(氧化锡)的形式存在。金属锡柔软，易弯曲，熔点231.9，沸点226、密度:5.77(锡)7.29(锡)、强度为14 MPa、硬度为布氏硬度（HBS:brinell hardness number）为10kg,延展性好；在空气中锡的表面生成二氧化锡（SnO2）保护膜并且稳定，加热条件下氧化反应会加快。,5,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,2、锡具有如下化学性质：,（1）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。（2）能抗有机酸的腐蚀，对中性物质来说，有较高的抗腐蚀性。（3）锡是一种两性金属（既能与酸反应又能与碱反应的金属），能与强酸和强碱起化学反应。,6,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,1、铅的物理性质：,铅，原子序数82，原子量207.2，是第六周期族元素，元素符号Pb。早在公元前3000年左右就被人类发现，元素符号Pb来自罗马人对铅的称呼。铅在地壳中质量含量为0.0016%，铅很少以游离状态存在于自然界，主要以方铅矿(PbS)如图5-1所示、白铅矿(PbCO3)、硫酸铅矿(PbSO4）的形式存在。熔点为327.502、沸点为1740、密度为11.3437gcm、莫氏硬度为1.5，质柔软，抗张强度小，延性弱，展性强，有润滑性。现在研究表明，铅通过环境污染循环可以进入人体，铅及其化合物对人体有毒，摄取后主要贮存在骨骼内，部分取代磷酸钙中的钙，不易排出，对人体有害。纯金属铅也不宜用于电子组装。,7,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,电子产品铅污染机理,8,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,2、铅的化学性质：铅的化学性质稳定，不与空气、氧、海水和含有氯成份的水，苯酚、碳酸钠、食盐、丙酮、氢氟酸等起反应，有良好的抗腐蚀能力。在潮湿的含有二氧化碳的空气中，表面形成碱式碳酸铅薄膜，能阻止铅被进一步氧化。在加热时能与氧、硫、卤素化合，生成相应的化合物。,9,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,铅锡合金,如前所述，不论是纯锡或是纯铅都不宜用于电子组装，在实际生产中，采用铅锡合金作为钎料，由于Sn63Pb37合金是共晶合金，流动性好，熔点比组成合金中的任一种都低，故在电子组装中获得广泛得应用。,10,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,从金相学的角度对Sn-Pb二元合金的平衡状态图（或称相图）加以研究，从相图上可以看出：不论是纯锡或是纯铅它们的熔点都比较高，铅的熔点是327.5，而锡的熔点是231.9，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。并且加热时由固态直接变为液体，而冷却的时侯又是直接由液体变为固态。而其他成份的金属都要经过一个固液共存的状态。而且熔点也普遍升高，如图5-2所示。,11,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,12,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,如果给定了温度和合金成分，根据状态图就可以推测合金的组织。另外，从相图中还可以推测锡铅焊料这样不同种类材料的界面会形成什么样的反应层。状态图对于了解材料进行设计是非常有用的工具,13,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,常用锡铅焊料,Pb38.1%,Sn61.9%称为共晶合金，对应熔点温度为183 63 Sn/37Pb.183 60 Sn/40Pb.183 190 62 Sn/36Pb/2Ag.179,14,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,锡铅焊料特 性,（1）焊接温度相对较低，熔点180-220。焊接温度高50。IPC-SM-782 260 10S 熔点183-189（2）熔融焊料在被焊金属表面流动性好。（3）凝固时间短，利于焊点形成，便于操作。（4）导电性能好，并有足够的机械强度。铜导电率的1/10，抗拉强度40MPa,剪切强度35。（5）焊后焊点外观好，便于检查。（6）三防性能好。能广泛应用。（7）焊料原料的来源应广泛，价格低廉。（云锡）,15,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,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。为什么还要把铅作为焊料的一种成分呢？下面，看看铅在焊料中的作用。在锡中加入铅后，可获得锡和铅都不具备的优良特性。1、降低熔点，有利于焊接：锡在232以下是不会熔化的。铅在327也不会熔化。两者的熔点都比Sn-Pb共晶焊料的熔化温度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，在工艺过程中操作时比较方便。,16,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,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，降低润湿角，有利于焊接。,17,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,4、提高焊料的抗氧化能力：Sn-Pb合金中加入铅，铅是稳定的金属，不易氧化，使焊点抗氧化性能增加。5、避免产生晶须：纯度高的锡容易发生锡须，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。,18,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,6.2 焊料的分类,1.Sn-Pb锡共晶焊料：由于Sn-Pb焊料具有材料来源广泛，价格低廉、而且形成的焊点有良好的机械、电气和热学性能，故在电子组装工艺中得到了广泛应用。但近年来人们认识到废弃的铅污染环境并循环到人体产生巨大的危害。基于这个原因，无铅焊料取代Sn-Pb焊料就成为必然趋势，欧盟、美国、日本等工业发达国家，除获得豁免和部分用于军事的电子产品外，已经全面禁止铅的使用，包括禁止进口含铅的电子产品。,19,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,2、低温焊料低温焊料96 163在低温能进行组装的焊料有Sn-Bi共晶焊料合金及In系合金。Sn-Bi共晶合金将在无铅焊料的章节中详细介绍。In虽然价格高，但是其自身的熔点为156，可以用作低熔点焊料。该合金塑性也非常好。含In合金的另一个特征是具有抑制Ag或Au溶蚀的优点。在需要更低熔点的情况下，还有Sn-Pb-In等低熔点合金。,20,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,常用低熔点合金焊料,16 Sn/32Pb/52Bi 96 42 Sn/58Bi 139 43 Sn/43Pb/14Bi 163 用途：双面再流焊，特殊要求的焊接,热敏元件的焊接。,21,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,3、高温焊料高温焊料是指300 前面已经提到，富Pb的Sn-Pb系焊料作为高温焊料应用广泛。但是这种焊料存在着Pb中的杂质U或者Th等放射性元素放射射线的问题，在高可靠性连接方面有时会出现问题。因此，对要求高可靠性的连接希望能够不用铅。10 Sn/90Pb 300 5 Sn/95Pb 312 3Sn/97Pb 318 用途：BGA、CSP焊球，高温焊点。测曲线用。,22,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,23,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,4、高强度焊料：当焊点的强度要求较高时，在上述焊料中添加2左右的Ag，或在焊料中添加4以下的Sb构成合金。就得到高强度焊料。其强度提高是添加Ag会产生Ag3Sn的微细析晶强化，而添加Sb会产生固溶强化从而提高焊料的强度。,24,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊锡丝,1.结构：焊料内空心直径分别有0.5mm、0.8mm、1.0mm。有多芯(最多5芯)。2.组成：焊料固态助焊剂（活性松香、水清洗、免清洗)，3.用途：手工焊接、补焊、维修用。,25,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,26,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,6.3 焊锡膏,焊锡膏是一种膏状焊接材料，外包装和膏状体焊料如图5-4所示。是适应表面贴片元件的组装而开发出来的焊接材料，用于表面组装工艺的再流焊中。,27,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,1.焊膏的作用,元件贴装后保持元件在焊盘上，不位移，经再流焊炉后，将元件与PCB焊接在一起。焊锡膏是一种新型焊料，是SMT生产中重要的辅助材料，其质量好坏直接影响到SMA的品质好坏。,28,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,2.焊膏组成与分类,(1).组成:合金焊粉+焊剂组份 重量比:合金焊粉（8590）焊剂（1510）体积比:合金焊粉 60;焊剂40合金焊粉 合金焊粉通常采用高压惰性气体（N2）将熔融合金喷射而成。合金成份一般为63Sn37Pb合金、62Sn36Pb2Ag，形状通常有球形和无规则形。,29,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,30,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,(2)焊膏中的焊剂焊膏中的焊剂即有助焊功能，又是焊膏粉末的载体，本身具有高粘度(50Pa.s),其性能决定焊膏的主要性能。组成：焊剂 松香、合成树脂及助剂组成，起到净化金属表面，提高焊料润湿性的作用。(0832-10/19)粘结剂 其主要成分是松香、松香脂、聚丁烯，其作用是提供粘性，粘牢元件。活化剂由硬脂酸、盐酸等组成，作用是净化金属表面，降低表面张力。溶剂其主要成分是甘油、乙二醇，调节焊膏特性。触变剂防止焊膏塌陷，避免引起连焊。,31,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊膏分类,按合金焊料熔点分：高温 300(10Sn/90Pb)；中温 183（63 Sn/37Pb）低温 140(42Sn/58Bi)按焊剂活性分：RA 活性、松香型 消费类电子产品 RMA 中等活性 SMT产品 NC 免清洗 SMT中大量采用。按焊膏粘度分：700 Pa.s 1200 Pa.s 模板印刷 400 Pa.s 600 Pa.s 丝网印刷 350 Pa.s 450 Pa.s 分配器按清洗方式：有机溶剂、水清洗、半水清晰、免清洗。,32,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,3.焊膏的性能指标,（1）合金焊粉颗粒 焊膏颗粒的形状、表面氧化程度对焊膏性能影响很大。由于球形颗粒表面积小，氧化程度低，印刷性能良好，故广泛采用。球形颗粒的大小用目数来表示。目数的定义：每英寸长度（25.4mm）中网眼的数目。也可以直接用球径大小表示，单位为m。焊膏颗粒分布：-200325；75 m 53 m BAS 阻容元件-270400；53 m 38 m AAS 一般要求-325500；25 m 38 m DAS 细间距应用,0833-10/12,33,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,（2）焊膏粘度,粘度是焊膏的一个重要指标，不同的涂布方法，使用不同粘度的焊膏。700 Pa.s 1200 Pa.s 模板印刷：适合间距 0.5mm 400 Pa.s 600 Pa.s 丝网印刷：适合间距 1.27mm 350 Pa.s 450 Pa.s 分配器：适合间距 1.27mm 焊膏粘度测量按照IPCSP819进行。焊膏 25-5r/min,34,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,（3）焊膏的印刷性,焊膏的印刷性是指焊膏多次从模板、分配器上顺利地漏印到PCB上的性能。焊膏的印刷性不好，会堵塞模板的孔眼，影响到整条生产线的生产。影响焊膏的印刷性的原因：a)焊膏中缺少阻印剂。b)焊膏用量不足。c)焊膏颗粒粗大，与开口不相匹配。（开口内 装 5个小球）d)球径分布不符合要求。80合金粉在规定范围内。如何测试焊膏的印刷性：,35,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,（4）焊膏的黏结力 焊膏的黏结力是保持元件在贴装后不位移的能力。（5）焊膏的塌陷度 焊膏印刷到PCB后，经过一段时间高温后保持原来形状的程度。再流焊后出现的桥连、焊球现象与其有关。按有关标准进行，也可用已由模板试验。（6）焊球状态 如果焊球氧化或含有水份，过再流焊时会造成飞溅，形不成圆球。,36,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,（7）焊膏的扩展率（润湿性）焊膏的扩展率是检查焊膏的活性程度，即焊膏在氧化的铜皮上的润湿和铺展能力，反应焊膏的焊接性能指标。方法：印刷直径6.5mm，厚0.2mm的焊膏，再流焊后其直径应扩大1020。（8）焊膏中的合金含量（90）合金含量高，粘度高，印刷图形较厚，塌陷小。印刷时间长，会产生助焊剂挥发，粘度增高引起焊接 缺陷，如桥接、漏印等。,37,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,（9）焊膏的腐蚀性能 焊膏不仅可焊性好，同时要求焊后对板的腐蚀性要小，特别是采用免清洗技术，更应有一定要求。焊膏的腐蚀性能指标有：干燥度、含氯量、铜镜试验、水溶液电阻、绝缘电阻、酸酯。,38,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,4.常用焊膏,松香型：焊剂主要成分为松香。由于松香有优良的助焊性能，焊后残留物成膜性好，对焊点有保护作用；松香第二个作用是增加焊膏的黏接力，使贴装的元件不产生位移；第三个作用是和松香和其他成分混合，起到调节粘度的作用，使金属粉末不沉淀、不分层。水溶型：焊剂主要成分为有机的水溶性物质，焊后可水清洗，有利于环保，但由于无松香，焊膏黏性不够大，应用收到一定限制。,39,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,免清洗：焊剂中不含卤素，同时尽量减少的松香含量，增加其他有机物的用量，但松香含量减少到一定程度，焊剂的活性就会降低，防止焊接区二次氧化的作用也会降低，采用氮气保护焊接解决问题。免清洗工艺虽然是发展方向，但军品慎重使用。,40,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,无铅焊膏,无铅焊膏也越来越应用广泛，目前已有13的产品使用无铅焊接。最常用焊膏的是无铅焊料成份加各种焊剂组成。常用焊膏有：Sn 95.5%Ag3.8%Cu0.7%、熔点：217、比重：7.4(63/37-8.4)金属成份：89；以及Sn91.3%Bi4.8%-Ag3.0%、熔点：205210。牌号：AIM/WS 483 RMA291，MULTITORE 96SE-NOCLEAN；INDIUM IND241（SnAgCu）；INDIUM IND249（SnBiAg）。,41,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,5.新型焊膏,随着电子产品朝轻、薄、小方向发展，焊膏技术也在不断改善。（1）焊料粉的微细化 不定形球形粉末微粒子（20微米以下）（2）抗疲劳性焊膏 传统 加厚焊锡量焊膏本身加稀有元素加倍。（3）无铅焊膏 13生产产品使用无铅焊接。,42,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊膏是由合金焊料粉、焊剂和一些其它的添加剂混合而成，具有一定粘性和良好触变性的一种均质混合物，具有良好的印刷性能和再流焊性能，并在贮存时具有一定稳定性的膏状体。,43,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,合金焊料粉是焊膏的主要成分，约占焊膏重量的8590。常用的合金焊料粉有以下几种：锡铅（Sn Pb）、锡铅银（Sn Pb Ag）、锡铅铋（Sn Pb Bi）等，最常用的合金成分为Sn63Pb37。合金焊料粉的形状：可分为球形和椭圆形（无定形），其形状、粒度大小影响表面氧化度和流动性，因此，对焊膏的性能影响很大,44,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊膏中的焊剂：在焊膏中，焊剂是合金焊料粉的载体，其主要的作用是清除被焊件以及合金焊料粉的表面氧化物，使焊料迅速扩散并附着在被焊金属表面。焊剂的组成为：活性剂、成膜剂和胶粘剂、润湿剂、触变剂、溶剂和增稠剂以及其他各类添加剂。,45,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊剂的活性：对焊剂的活性必须控制，活性剂量太少可能因活性差而影响焊接效果，但活性剂量太多又会引起残留量的增加，甚至使腐蚀性增强，特别是对焊剂中的卤素含量更需严格控制。,46,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,SMT对焊膏有以下要求,焊膏的质量对焊接的质量影响非常大，因此SMT对焊膏有比较严格的要求。1焊膏的合金组分尽量达到共晶或靠近共晶，要求焊点强度较高，并且与PCB镀层、元器件端头或引脚可焊性要好，确保不会因振动等因素出现元器件脱落。2、焊膏具有较长的贮存寿命，在010下保存3 6个月。贮存时不会发生化学变化，也不会出现焊料粉和焊剂分离的现象，并保持其粘度和粘接性不变。3、焊膏在印刷或涂布后，在再流焊预热过程中，焊膏应保持原来的形状和大小，即保证良好的触变性(保形性)，印刷后焊膏不塌落。不产生堵塞网孔。,47,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,4焊膏有较长的工作寿命，在印刷或滴涂后通常要求能在常温下放置1224小时，其性能保持不变。(0835-10/11)5、焊膏有良好的润湿性能。要正确选用焊剂中活性剂和润湿剂成分，以便达到润湿性能要求。6、焊膏在焊接过程中不发生焊料飞溅，抑制焊料球的生成。这主要取决于焊膏的吸水性、焊膏中溶剂的类型、沸点和用量以及焊料粉中杂质类型和含量。7、焊后残留物稳定性能好，无腐蚀，有较高的绝缘电阻，且清洗性好。,48,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊膏的选用,焊膏种类很多，选择合适的焊膏非常重要，同时也比较很困难。因为在选择焊膏时要考虑的因素比较多，主要根据产品的要求和工艺条件以及焊膏的性能来选取，如被焊元器件端子的类型及表面涂层的材料、线路板的类型及组装工艺类型，是单面板还是双面板、线路板表面焊盘涂层材料是什么等。焊膏的选择通常是根据已有的使用经验、或是权威机构推荐优选品牌、或是委托方指定的厂家和型号来确定。通常要求选用的焊膏：,49,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,1、具有优异的保存稳定性。2、具有良好的印刷性（流动性、脱版性、连续印刷性）。3、印刷后在长时间内对SMD保持有一定的粘合性。4、焊接后能得到良好的接合状态（焊点）。5、其焊接成分，具高绝缘性，低腐蚀性。6、对焊接后的焊剂残渣有良好的清洗性，清洗后不可留有残渣成分。,50,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊膏使用和贮存的注意事顶,1、领取焊膏应登记焊膏到达的时间、失效期、型号，并为每罐焊膏编号。然后保存在恒温、恒湿的冰箱内，温度在约为210。锡膏储存和处理推荐方法的常见数据见表5-1 所示。,51,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,2、焊膏使用时，应做到先进先出的原则，应提前至少2小时从冰箱中取出，写下时间、编号、使用者、应用的产品，并密封置于室温下，待焊膏达到室温时打开瓶盖。如果在低温下打开，容易吸收水汽，再流焊时容易产生锡珠。注意：不能把焊膏置于热风器、空调等旁边加速它的升温。3、焊膏开封前，须使用离心式的搅伴机进行搅拌，使焊膏中的各成分均匀，降低焊膏的粘度。焊膏开封后，原则上应在当天内一次用完，超过时间使用期的焊膏绝对不能使用(0831-9/27),52,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,4、焊膏置于网板上超过30分钟未使用时，应重新用搅拌机搅拌后再使用。若中间间隔时间较长，应将焊膏重新放回罐中并盖紧瓶盖放于冰箱中冷藏。5、根据印制板的幅面及焊点的多少，决定第一次加到网板上的焊膏量，一般第一次加200300克，印刷一段时间后再适当加入一点。6、焊膏印刷后应在24小时内完成贴装，超过时间应把PCB焊膏清洗后重新印刷。7、焊膏印刷时间的最佳温度为233，相对湿度555为宜。湿度过高，焊膏容易吸收水汽，在再流焊时产生锡珠。,53,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,焊膏金属粉末的制造,焊膏金属粉末通常是用真空熔炼炉将焊料金属熔化，真空熔炼炉外形如图5-5所示。采用高压惰性气体对熔融的焊料喷雾制成。,54,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,6.4 无铅焊料,目前全球无铅焊料的实际应用较广泛的主要有五大系列无铅合金焊料，分别是Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-In系以及Sn-Zn系。最常用的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，在其中添加适量其他金属元素所组成的三元合金和多元合金。,55,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,56,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,无铅焊料的主要性能,无铅焊料的主要性能，包括焊料的力学性能、物理、化学性能和工艺性能。从无铅焊点机械性能实验数据得到的图5-6图5-9的柱图31可以看出，无铅焊料的弹性模量、屈服强度、蠕变性能优于或相当于锡铅焊料，但延伸率较低，即塑性、韧性不如锡铅焊料。,57,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,58,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,无铅焊料表面张力比有铅焊料高，有实验指出，在240时，锡铅焊料表面张力为396mNm、锡银铜焊料为4718mNm、由于表面张力的差异，其扩散率比锡铅焊料低15左右。其宏观效果就是浸润性、扩展性差。无铅焊料的抗氧化性能比较差，用来表征金属抗氧化性能的指标有多种，现在用金属氧化物的吉布斯（Gibbs）自由能来表征。常见金属氧化物的Gibbs自由能见表5-3：从表中可以看出SnO2的Gibbs自由能低，即SnO2最容易生成，故焊料合金含Sn量越高，焊料就越容易氧化。,59,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,(0834-10/11),60,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,通过上面一系列的实验数据，可以得到结论：1、无铅焊料的力学性能除塑性、韧性不如锡铅焊料，其他指标都优于锡铅共晶。2、无铅焊料的可焊接性比锡铅共晶的差。3、无铅焊料的熔点温度比锡铅共晶的高。4、无铅焊料的焊点的导电、导热性能比锡铅共晶焊料的好。5、无铅焊料表面张力比有铅焊料高，由于表面张力的差异，其扩散率比锡铅焊料低15左右，其宏观效果就是浸润性、扩展性差。,61,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,Sn-Ag系二元合金,Sn-3.5 wtAg二元系共晶焊料作为高熔点焊料在无铅导入以前就已经开始应用。其状态图如图所示,62,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,锡银系焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。它能在长时间内提供良好的粘力。在再流焊时无需氮气保护,其浸润性和扩散性与锡铅系焊料相近,并且锡银系的助焊剂残留外观比锡铅系的残留还要好,基本无色透明。而且还在合金的电导率、热导率和表面张力等方面与锡铅合金不相上下。,63,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,Sn-Ag-Cu三元合金,在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点，而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中铜的溶蚀，因此逐渐成为国际上标准的无铅焊料。图5-12为Sn-Ag-Cu三元合金状态图。锡银铜系焊料有着良好的物理特性。,64,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,65,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,Sn-Bi系及Sn-In合金,在低温能进行组装的焊料有Sn-Bi共晶合金及Sn-In合金等。熔点最为接近Sn63Pb37共晶焊料的是Sn-Bi系无铅焊料，因为Bi元素可降低焊料熔点，Sn-Bi系焊料能在139共晶点到232的宽熔点范围内做成合金。Sn-Bi二元合金具有良好的润湿能力和较好的物理特性，其主要缺点是共晶部分Bi在10m以上时会出现粗化形状结晶，特别是和元件引脚上的铅反应易生成熔点低脆性大的合金，,66,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,同时液固共存领域大，焊料易发生半月面提升现象。另外Bi在焊接过程中会出现枝装晶偏析。研究结果表明：在Sn-20Bi为基体的合金,添加0.7%的Ag、0.1%的In可以使Bi的偏析稍有改善,使Bi细小分散。In虽然价格高，但是其自身的熔点为156，可以用作低熔点焊料。该合金塑性也非常好。含In合金的另一个特征是具有抑制Ag或Au溶蚀的优点。在需要更低熔点的情况下使用。,67,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,电子组装对无铅焊料的性能要求,1、无铅焊料的熔点要低：从前面的内容知道，除Sn-Bi系及Sn-In合金外，所有的无铅焊料的熔点温度都高于Sn63Pb37合金的熔点温度，这将对工艺、设备、材料等方面带来很大的不良影响，因此开发出的无铅焊料，应当有较低的熔点温度。,68,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,2、无铅焊料要有良好的润湿性；无铅焊料表面张力比有铅焊料高，其扩散率比锡铅焊料低，不利于焊点的形成，得到的焊点形状不圆润饱满，弯月面小，严重的还会造成虚焊。润湿性差，这对锡膏印刷工艺的要求更高，增加了工艺的难度。无铅焊料获得的焊点外观粗糙，表面粗糙很难清洗干净，就会影响电性能。如果使用传统的AOI进行检查，由于漫反射光无法正常识别。因此要求无铅焊料要有良好的润湿性。一般情况下，再流焊时焊料在液相线以上停留的时间为30-90秒，波峰焊时被焊接组件管脚及线路板基板面与锡液波峰接触的时间为4秒左右，使用无铅焊料以后，要保证在以上时间范围内焊料能表现出良好的润湿性能，才能保证优质的焊接效果。,69,SMT设备操作与维护,长沙民政学院 电子系 应用电子教研室 谭刚林,3、无铅焊料要有良好的性能，无铅焊料焊接后所获得的焊点，其物理和化学性能及力学性能都要与Sn63Pb37合金焊料相接近。4、无铅焊料应有良好的钎合性能。在使用过程中，无铅焊料与线路板的铜基、或线路板所镀的表面镀层、以及元器件管脚表面的其它金属镀层间有良好的钎合性。5、无铅焊料应当与各类助焊剂相匹配，且兼容性要尽可能的强；既能够在活性松香树脂型助焊剂（RA）的支持下工作，也能够适用温和型、弱活性松香焊剂（RMA）或不含松香树脂的免清洗助焊剂，因为这些焊剂是以后的发展趋势。6、制造无铅焊料的原材料应当资源丰富，价格低廉，环保。能够满足长期的供应需求。,