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第5章焊料合金•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。5.1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.•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(α锡)7.29(β锡)、强度为14MPa、硬度为布氏硬度（HBS:brinellhardnessnumber）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。•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。•1、铅的物理性质：•铅，原子序数82，原子量207.2，是第六周期Ⅳ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11.3437g／cm³、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。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。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。•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。•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常用锡铅焊料•Pb38.1%,Sn61.9%称为共晶合金，对应熔点温度为183℃•63Sn/37Pb.183℃•60Sn/40Pb.183℃～190℃•62Sn/36Pb/2Ag.179℃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-782260℃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）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。•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3～3.5kg/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。•4、Sn-Pb合金中加入铅，提高焊料的抗氧化能力：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。5.2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。但近年来人们逐渐认识到铅废弃的铅污染环境并循环到人体产生巨大的危害，铅是一种具有神经毒性的重金属元素，进入人体血液后，可引起机体代谢过程的障碍，对全身各组织器官都有损害。污染环境的铅来自各个方面，其中含铅废弃电子产品是污染源之一，含铅废弃电子产品通常都被直接丢弃或掩埋，其中的铅会逐渐溶入土壤进入地下水中，污染环境并进而影响人的健康。如图5-3所示[6]。基于以上原因，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。•2、低温焊料：96℃～163℃在低温能进行组装的焊料有Sn-Bi共晶合金及In系等。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。常用低熔点合金焊料•16Sn/32Pb/52Bi96℃•42Sn/58Bi139℃•43Sn/43Pb/14Bi163℃•用途：双面再流焊，特殊要求的焊接,热敏元件的焊接。•3、高温焊料：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α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。•10Sn/90Pb300℃•5Sn/95Pb312℃•3Sn/97Pb318℃•用途：BGA、CSP焊球，高温焊点。测曲线用。•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。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。5.3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，其工艺方法是将焊膏涂敷在PCB的焊盘上，再将片式元器件安装在涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热使焊膏熔化实现表面组装元器件的引线或端点与印制板上焊盘的连接。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。•它是一种新型焊料，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。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（85％～90％）焊剂（15％～10％）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63Sn／37Pb合金、62Sn／36Pb／2Ag，形状通常有球形和无规则形。(2)含高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),膏状焊剂。决定焊膏的主要性能。组成：焊剂－松香、合成树脂，净化金属表面，提高焊料润湿性。粘结剂－松香、松香脂、聚丁烯，提供粘性，粘牢元件。活化剂－硬脂酸、盐酸等，净化金属表面。溶剂－甘油乙二醇，调节焊膏特性。触变剂－防止焊膏塌陷，引起连焊。焊膏分类按合金焊料熔点分：高温300℃(10Sn/90Pb)；中温183℃（63Sn/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：700Pa.s－1200Pa.s模板印刷400Pa.s－600Pa.s丝网印刷350Pa.s－450Pa.s分配器按清洗方式：有机溶剂、水清洗、半水清晰、免清洗。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μm。焊膏颗粒分布：multicore-200－－＋325；75μm－53μmBAS阻容元件-270－－＋400；53μm－38μmAAS一般要求-325－－＋500；25μm－38μmDAS细间距应用（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。700Pa.s－1200Pa.s模板印刷（90％）0.5mm400Pa.s－600Pa.s丝网印刷（90％）1.27mm350Pa.s－450Pa.s分配器（85％）1.27mm焊膏粘度测量按照IPC－SP－819进行.(旋转粘度计)焊膏-2小时25℃-5r/min-2.8cm-1次/2min-5-2TheInstituteForInterconnectingAndPakingElectronicsCircuits（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：（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必须性能。测量方法：a)所需物品：PCB；30g焊膏；10cm2范围；带钩铜片厚0.5mm面积1cm2；拉力计；25℃：（25－40）g/cm2；16小时后（25－40）g/cm2b)用Chaffllon黏附性试验仪。（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。方法：将焊膏放在PCB上过再流焊，观察焊球情况。（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