無鉛焊錫膏

焊錫膏是伴隨著SMT應運而生的一種新型焊接材料。焊錫膏是一個複雜的體系，是由焊錫粉、助焊劑以及其它的添加物加以混合，形成的乳脂狀混合物。

基本介紹

• 中文名：無鉛焊錫膏
• 外文名：lead-free solder paste

產生背景

在20世紀70年代的表面貼裝技術(Surface Mount Assembly，簡稱SMT)，是指在印製電路板焊盤上印刷、塗布焊錫膏，並將表面貼裝元器件準確的貼放到塗有焊錫膏的焊盤上，按照特定的回流溫度曲線加熱電路板，讓焊錫膏熔化，其合金成分冷卻凝固後在元器件與印製電路板之間形成焊點而實現冶金連線的技術。

焊錫膏是伴隨著SMT應運而生的一種新型焊接材料。焊錫膏是一個複雜的體系，是由焊錫粉、助焊劑以及其它的添加物加以混合，形成的乳脂狀混合物。焊錫膏在常溫下有一定的勃度，可將電子元器件初粘在既定位置，在焊接溫度下，隨著溶劑和部分添加劑的揮發，將被焊元器件與印製電路焊盤焊接在一起形成永久連線。

研究表明，助焊劑不僅能去除被焊金屬表面的氧化物，而且能夠防止焊接時基體金屬被氧化，比促使熱從熱源區向焊接區傳遞，促使焊料的熔化並潤濕被焊金屬表面，並且還能降低熔融焊料的表面張力。而在焊錫膏中，除了這些作用外，助焊劑還起到承載合金粉末的作用。焊錫膏的助焊劑的主要成分有活化劑、觸變劑、樹脂和溶劑等。助焊劑的成分和含量對焊錫膏的勃度、潤濕性能、抗熱塌性能、黏結性能有很重要的影響。

組成成分

在成分中，主要是由錫/銀/銅三部分組成，由銀和銅來代替原來的鉛的成分。

特性和現象

在錫/銀/銅系統中，錫與次要元素(銀和銅)之間的冶金反應是決定套用溫度、固化機制以及機械性能的主要因素。按照二元相點陣圖，在這三個元素之間有三種可能的二元共晶反應。銀與錫之間的一種反應在221°C形成錫基質相位的共晶結構和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。銅與錫反應在227°C形成錫基質相位的共晶結構和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。銀也可以與銅反應在779°C形成富銀α相和富銅α相的共晶合金。可是，在現時的研究中1，對錫/銀/銅三重化合物固化溫度的測量，在779°C沒有發現相位轉變。這表示很可能銀和銅在三重化合物中直接反應。而在溫度動力學上更適於銀或銅與錫反應，以形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。因此，錫/銀/銅三重反應可預料包括錫基質相位、ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。

和雙相的錫/銀和錫/銅系統所確認的一樣，相對較硬的Ag3Sn和Cu6Sn5 粒子在錫基質的錫/銀/銅三重合金中，可通過建立一個長期的內部應力，有效地強化合金。這些硬粒子也可有效地阻擋疲勞裂紋的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔較細小的錫基質顆粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越細小，越可以有效的分隔錫基質顆粒，結果是得到整體更細小的微組織。這有助於顆粒邊界的滑動機制，因此延長了提升溫度下的疲勞壽命。

雖然銀和銅在合金設計中的特定配方對得到合金的機械性能是關鍵的，但發現熔化溫度對0.5~3.0%的銅和3.0~4.7%的銀的含量變化並不敏感。

機械性能對銀和銅含量的相互關係分別作如下總結2：當銀的含量為大約3.0~3.1%時，屈服強度和抗拉強度兩者都隨銅的含量增加到大約1.5%，而幾乎成線性的增加。超過1.5%的銅，屈服強度會減低，但合金的抗拉強度保持穩定。整體的合金塑性對0.5~1.5%的銅是高的，然後隨著銅的進一步增加而降低。對於銀的含量(0.5~1.7%範圍的銅)，屈服強度和抗拉強度兩者都隨銀的含量增加到4.1%，而幾乎成線性的增加，但是塑性減少。

在3.0~3.1%的銀時，疲勞壽命在1.5%的銅時達到最大。發現銀的含量從3.0%增加到更高的水平(達4.7%)對機械性能沒有任何的提高。當銅和銀兩者都配製較高時，塑性受到損害，如96.3Sn/4.7Ag/1.7Cu。

最佳合金成分

合金95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu被認為是最佳的。其良好的性能是細小的微組織形成的結果，微組織給予高的疲勞壽命和塑性。對於0.5~0.7%銅的焊錫合金，任何高於大約3%的含銀量都將增加Ag3Sn的粒子體積分數，從而得到更高的強度。可是，它不會再增加疲勞壽命，可能由於較大的Ag3Sn粒子形成。在較高的含銅量(1~1.7%Cu)時，較大的Ag3Sn粒子可能可能超過較高的Ag3Sn粒子體積分數的影響，造成疲勞壽命降低。當銅超過1.5%(3~3.1%Ag)，Cu6Sn5粒子體積分數也會增加。可是，強度和疲勞壽命不會隨銅而進一步增加。在錫/銀/銅三重系統中，1.5%的銅(3~3.1%Ag)最有效地產生適當數量的、最細小的微組織尺寸的Cu6Sn5粒子，從而達到最高的疲勞壽命、強度和塑性。

據報導，合金93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu是217°C溫度的三重共晶合金3。可是，在冷卻

焊錫膏

曲線測量中，這種合金成分沒有觀察到精確熔化溫度。而得到一個小的溫度範圍：216~217°C。

這種合金成分提高現時研究中的三重合金成分最高的抗拉強度，但其塑性遠低於63Sn/37Pb。95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu比95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的屈服強度低。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的疲勞壽命低於95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu。如果顆粒邊界滑動機制主要決定共晶焊錫合金，那么95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，而不是93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu，應該更靠近真正的共晶特性。

另外，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu比93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu具有經濟優勢。

與63Sn/37Pb比較

3.0~4.7%Ag和0.5~1.7%Cu的合金成分通常具有比63Sn/37Pb更高的抗拉強度。例如，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu和93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu在強度和疲勞特性上比63Sn/37Pb好得多。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性較63Sn/37Pb低，而95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的塑性比63Sn/37Pb還高。

焊錫膏

與96.5Sn/3.5Ag比較

95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu具有216~217°C的熔化溫度(幾乎共晶)，比共晶的96.5Sn/3.5Ag低大約4°C。當與96.5Sn/3.5Ag比較基本的機械性能時，研究中的特定合金成分在強度和疲勞壽命上表現更好。可是，含有較高銀和銅的合金成分，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性比93.6Sn/4.7Ag低。

與99.3Sn/0.7Cu比較

3.0~4.7%Ag和0.5~1.5%Cu的錫/銀/銅成分合金具有較好的強度和疲勞特性，但塑性比99.3Sn/0.7Cu低。

推薦

錫/銀/銅系統中最佳合金成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，它具有良好的強度、抗疲勞和塑性。可是應該注意的是，錫/銀/銅系統能夠達到的最低熔化溫度是216~217°C，這還太高，以適於現時SMT結構下的電路板套用(低於215°C的熔化溫度被認為是一個實際的標準)。

總而言之，含有0.5~1.5%Cu和3.0~3.1%Ag的錫/銀/銅系統的合金成分具有相當好的物理和機械性能。相當而言，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu成本比那些含銀量高的合金低，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu。在某些情況中，較高的含銀量可能減低某些性能。

設定錫膏回流溫度曲線

正確的溫度曲線將保證高品質的焊接錫點。

測試方法

在使用表面貼裝元件的印刷電路板(PCB)裝配中，要得到優質的焊點，一條最佳化的回流溫度曲線是最重要的因素之一。溫度曲線是施加於電路裝配上的溫度對時間的函式，當在笛卡爾平面作圖時，回流過程中在任何給定的時間上，代表PCB上一個特定點上的溫度形成一條曲線。

幾個參數影響曲線的形狀，其中最關鍵的是傳送帶速度和每個區的溫度設定。帶速決定機板暴露在每個區所設定的溫度下的持續時間，增加持續時間可以允許更多時間使電路裝配接近該區的溫度設定。每個區所花的持續時間總和決定總共的處理時間。

每個區的溫度設定影響PCB的溫度上升速度，高溫在PCB與區的溫度之間產生一個較大的溫差。增加區的設定溫度允許機板更快地達到給定溫度。因此，必須作出一個圖形來決定PCB的溫度曲線。接下來是這個步驟的輪廓，用以產生和最佳化圖形。

在開始作曲線步驟之前，需要下列設備和輔助工具：溫度曲線儀、熱電偶、將熱電偶附著於PCB的工具和錫膏參數表。可從大多數主要的電子工具供應商買到溫度曲線附屬檔案工具箱，這工具箱使得作曲線方便，因為它包含全部所需的附屬檔案(除了曲線儀本身)。

參考配方

成分	質量百分比	成分說明
聚合松香	20-40%	成膜物質
岐化松香	20-40%	成膜物質
聚異丁烯	10-30%	增粘劑
改性氫化蓖麻油	5-15%	觸變劑
戊二酸	0-3%
2, 3 - 二溴- 2 - 丁烯- 1, 4- 二醇	0-3%	活性劑
二甘醇二丁醚	25-45%
BHT	0-2%
三乙醇胺	0-2%