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发表于 2012-12-14 15:25:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 gaoshengxian 于 2012-12-14 15:29 编辑

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。

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楼主| 发表于 2012-12-14 15:29:47 | 显示全部楼层

本帖最后由 gaoshengxian 于 2012-12-14 15:31 编辑

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。
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

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楼主| 发表于 2012-12-14 15:32:27 | 显示全部楼层

本帖最后由 gaoshengxian 于 2012-12-14 15:36 编辑

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. 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。
1.2.1 有关锡膏粉末
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