錫膏中添加銅銀鋅銻鉍銦等微量金屬的目的為何?

到目前為止,「錫(Sn)」仍然是電路板組裝最好的焊接材料 ,無鉛錫膏的成分也是以「錫」為主體,只是移除了「鉛」而已。

純錫的融點高達231.9°C,其高溫不利使用於一般的PCB板組裝焊接,或者說目前仍然有些電子零件較不易達到這樣的高溫要求,所以電路板組裝中的焊料必須以「錫」為主材料,然後加入其他的合金焊料,比如銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)、鉍(Bi)…等微量金屬,來降低其融點,以達到可以量產並節省能源的主要目的。

如果你對錫膏還不是很了解,建議可以先看一下這篇關於錫膏介紹的文章【介紹並認識【錫膏(solder paste)】的基本知識(含助焊劑)

你知道在焊料中添加這些微量金屬的目的是什麼嗎?

添加其他金屬的次要目的則是用來改善焊點的特殊需求,比如說改善焊錫的韌度(Toughness)與強度(Strength),以得到較理想的機械、電氣和熱性能。

所以,當初在還未管制「鉛」含量時,錫膏的組成多以錫鉛Sn63Pd37為最大宗,其共熔點可以大幅下降到183°C,現在的無鉛錫膏,比如說加入少許的銀與銅作成SAC305(錫銀銅),其共熔點也可以下降到217°C,而加入少許的銅及鎳作成SCN(錫銅鎳),其共熔點則變成227°C,全部都比純錫的熔點來得低。

為什麼原本兩個熔點都很高的金屬,以一定比率混在一起之後其共熔點反而會大大降低,這其實是個很有趣的題目,有興趣的朋友可以先參考這一篇文章【錫鉛的二元平衡金相圖】。

截至目前為止,世界上還是以「錫」為電子零件最好的焊接材料,而通常拿來與錫配合使用的其他金屬還包括有:銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)…等,下面就這這些錫膏中可能包含的微量金屬的特性及用途稍做說明(工作熊非化學專科,內容或許有誤,服用請小心,歡迎指正):

銀(Ag):

一般來說在錫膏中加入「銀(Ag)」是為了改善焊接的潤濕性,並用來加強焊點強度,提高抗疲勞性。添加了「銀」有利產品通過冷熱循環測試,不過「銀」含量如果太高(重量比超過4%),焊點反而將會變脆。

銦(In):

「銦(In)」可能是到目前為止已發現金屬中可以與「錫」形成合金熔點最低的元素,銦錫(52In48Sn)合金的最低溫度可以來到120℃,而77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點則更低,只有114℃。在某些特定場合低溫焊料是一個比較好的選擇,但就目前整個電子組裝業界來說似乎不太合適。銦具有非常良好的物理和潤濕性質,但是銦非常稀有,所以非常昂貴,也不具備大規模應用的可能性。

鋅(Zn):

「鋅(Zn)」是一種非常普遍的礦產,所以價格非常的便宜,幾乎與鉛的價格差多。鋅錫合金的熔點雖然比純錫低(91.2Sn8.8Zn熔點200°C)但是差異並不是那麼明顯,而且鋅有個非常大的缺點,它會跟空氣中的氧(O2)迅速發生化學反應,形成一層穩定的氧化物,阻礙焊錫的潤濕性,在波峰焊過程中,這樣的結果則會産生大量錫渣,甚至影響到焊接的品質。因此鋅合金現代的焊接製程漸漸的被排除在外。

鉍(Bi):

「鉍(Bi)」在降低與錫合金的熔點上比表現也非常明顯,Sn42Bi58的熔點則更低到只有138°C,而Sn64Bi35Ag1的熔點也只有178°C,如果是錫/鉛/鉍合金的熔點更可以低到只有96℃,「鉍」具有非常好的潤濕性質和較好的物理性質,無鉛焊錫開始流行後其需求明顯增加,最主要運用在某些無法高溫焊接的產品上,比如某些照明用焊接在軟板上的LED。

錫鉍合金的焊點強度不足及脆性為其最大缺點,也就是其信賴度不佳,所以才會有人添加少量的「銀」來 提昇焊點強度與提昇抗疲勞性,可惜其強度仍然差強人意,選用此類低溫焊錫合金時須特別留意,或是輔以膠水強化其抗衝擊及抗疲勞強度。

相關延伸閱讀:焊接採用無鉛低溫錫膏SnBi, SnBiAg的目的?

鎳(Ni):

將「鎳(Ni)」添加到焊料內並不是為了降低熔點,在鎳錫合金比率中反而100%純錫的熔點是最低的,之所以在焊料中添加少量的「鎳」純粹是為了抑制焊接過程中銅基材的溶解,尤其是在波焊製程(Wave Soldeirng)中防止OSP板出現咬銅情形發生,一般波焊建議使用有添加「鎳」的 SnCuNi (SCN) 合金的錫棒(Solder-bar)。

相關延伸閱讀:電子工業中零件或電路板鍍鎳(Ni)的目的何在?

銅(Cu):

錫膏中加入少許的「銅(Cu)」可以加強焊錫的剛性,所以可以提昇焊點強度,少量的銅也可以降低焊料對烙鐵頭的熔蝕作用,銅在錫膏中的含量通常要求要重量比在1%以內,如果超過1%將可能危害到焊接品質。


延伸閱讀:
SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)解說與注意事項
如何挑選一支適合自己公司產品的錫膏 (Solder paste selection)
為什麼SMT二次回焊時第一面零件不會掉落?再回焊熔錫溫度會升高?

 
 
訪客留言內容(Comments)

以前只知道锡膏选用锡银铜合金的,那样焊接出来的效果会比较好,至于这些金属在锡膏内的作用没有做过深入的了解,通过这篇文章算是有了基本的概念,谢谢熊熊老师!


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