錫鉛焊料的二元金相圖解釋

錫二元金相圖

雖然無鉛錫膏(焊錫)已經是現代環保電子科技的主流了,但是基於信賴度的考量,汽車業與軍用電子都還有很多產品還在使用有鉛的焊錫,因為有鉛焊錫的焊接強度比無鉛高出許多。

有鉛錫膏的主要成份以錫鉛為主,其他微量成份還有銀、鉍、銦等金屬,各有其不同的熔點(M.P.),不過本文先假設這些微量的其他金屬成分不會影響到錫膏的特性,所以我們可以先用錫鉛的二元相圖來解釋錫膏的特性,因為三元以上的相圖實在是太複雜了。

而且不論是焊料或是IMC,其組成的份子越多,其結構也就越複雜,也越不容易管控,可靠度也越差。







參考一下文章最前面的錫鉛二元相圖,橫坐標表示錫鉛的重量百分比(Wt%),縱座標表示攝氏溫度(°C)。鉛的熔點為327°C,所以相圖的左上角就是從327°C開始的(100%的錫,A點),隨著錫鉛重量比的含錫量越來越多,這條【液化熔點(Liquidus m.p.)】線的溫度也就越來越低,當錫鉛重量比來到最佳的Sn63/Pb37(實際為Sn61.9/Pb38.1,因為早期量測不準,以致造成誤差),其液化熔點也達到最低的183°C,如果繼續再增加含錫的比率,其液化熔點溫度就會反轉上升,到達純錫時的232°C。

錫鉛合金焊料除了61.9/38.1的重量比有個唯一的【共固點(E點)(Eutectic)】183°C之外,其他不同的重量比皆會出現兩個熔點,溫度較高者稱為【液化熔點(Liquidus m.p.)】,溫度較低者稱為【固化熔點(Solidus m.p.)】。介於兩熔點之間的焊料則稱之為【漿態(pasty)】,也就是固態與液態共存(co-exist)的高黏度流體。所謂的漿態(pasty)其實就有點類似土石流的型式,因為其中可能是錫已經變成液態但是鉛還是固態(αPb+L),或是剛好相反(βSn+L)。

至於為什麼我們一定得用Sn63/Pb37的重量比例,這是因為純錫的融點高達232°C,不易用於一般的PCB板組裝焊接,或者說目前的電子零件都無法達到這樣的高溫,所以必須以錫為主,然後加入其他合金焊料來降低其熔點,以達到可以量產並節省能源的主要目的,也可以降低電子零件耐溫的門檻,因為絕大部分電子產品的使用與儲存環境都只會在-40°C~+70°C之間而已,所以183°C的熔點真已經是綽綽有餘了;其次要目的是可以改善焊點的韌度(Toughness)與強度(Strength)

一般的相圖都會有α、β、γ等符號來表示相圖中的固溶體,本錫鉛相圖只有二元,所以只用到α及β。這張相圖的α指的是鉛(Pb)的固溶體,而β則是錫(Sn)的固溶體。

αPb相區(CBA)為富鉛的固溶體,但是錫會溶解在鉛之中,錫變成了溶質,在這個相區,錫的溶解度有其上限,從C點開始,隨著溫度的上升(CB線)到183°C時(B點),錫的溶解度來也到最高的18.3%,當溫度繼續升高(BA線),錫的溶解度反而漸漸變少至零(A點)

βSn相區則為富錫的固溶體,相對的鉛則溶解在錫之中,鉛變成了溶質。從H點開始,隨著溫度的上升(HG線)到183°C時(G點),錫的溶解度來也到最高的2.23%(=100-97.8),當溫度繼續升高(GF線),錫的溶解度反而漸漸變少至零(F點)

  熔點 沸點 原子量 原子半徑 共價半徑
錫(Sn) 231.93°C 2602°C 118.69 140 pm 139±4 pm
鉛(Pb) 327.46°C 1749°C 207.2 180 pm 147 pm
鎳(Ni) 1455°C 2913°C 58.71 124 pm 124±4 pm
金(Au) 1064.18°C 2856°C 196.9665 144 pm 136±6 pm
銀(Ag) 961.78°C 2162°C 107.868 144 pm 145±5 pm
銅(Cu) 1084.62°C 2562°C 63.546 128 pm 132±4 pm
鉍(Bi) 271°C 1564°C 208.9804 160 pm 146 pm

 

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延伸閱讀:
SMT與Wave soldering焊錫的中文翻譯與觀念澄清
焊接強度與IMC觀念
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