无铅焊接的IMC与锡须(二)有铅与无铅IMC

2017-12-06 PCB加工 412

一、功在焊接的铅金属


PCB线路板制作低温柔软的焊接,一向都是以共熔(或共晶)组成的锡铅合金(S n 6 3/Pb 3 7)为主。不但品质良好,操作方便,可靠度优异,而且还技术成熟,供应无缺,价格低廉,这些都要归功于铅的参与。其唯一致命的缺点就是对人体有毒有害,如今环保挂帅必去铅而后快之情势下,不但贡现各种无铅焊料的成绩均远逊于有铅者,且至今尚无任何取代品可以匹敌的栋梁之材行将永别时,才忽然想到【铅】究竟是何方神圣?又倒底何德何能?竟有如此出卓越的表现?以下即归纳出一些铅在焊接中的重要功能让您瞭解:


此为各种比例锡铅合金的均质结构


A.铅可与锡以任何比例很容易熔融组成均质的合金,彼此间不会生成格格不入的D e n dr i t e SIMC,顶多只是区分成多铅区(Lead Rich area)微蚀后呈一色区,其含铅量50-70%wt之间),或多锡区(Tin Rich area微蚀后呈黑色区,含锡量5 5-80%wt)。铅是众多余属中唯一能与锡密切合作之金属。


B.铅比锡便宜1 1倍,可降低焊料的成本。且有铅时其固C u溶入液S n的速度会减缓,可减少焊点中枝哑状IMC的出现,在十分均质中提高焊接强度。


C.铅熔点为3 2 2℃,锡熔点为2 3 1℃,合金后熔点下降,共晶组成S n 6 3/P b 3 7之m.p.仅只1 8 3℃,不致伤害电子零件与电路板。


D.加铅超过2 O%后即不再长出锡须,且锡铅电镀之各种配方均极成熟,对零件脚与P C B的电镀都非常方便。当然锡铅皮膜或焊点也都不会长须。


E.铅锡合金S n 6 3表面张力较小(3 8 0 dyn e/2 6 0℃,即内聚较小),耗热量低容易沾锡,沾锡时间很短(平均0.7秒),接触角很小。至于无铅最有希望成为主流的SAC305,其表面张力高达460 dyn e/260℃,沾锡时间长达1.2秒,接触角4 3-4 4° ,在散锡不易下焊垫经常露铜。


F.铅锡合金甚为柔软,固化后结构细腻组织均匀而不易开裂。SAC305固化后质地很硬(B a 1l S h e ar Te S t的假性高读值,经常会造成无铅比有铅更好的误导,且非均质之结构粗糙容易开裂。

SMT贴片加工

二、SMT贴片加工的锡银铜无铅焊料的IMC


以SAC305而言(3.0%Ag,0 .5%C u其余为S n,简称SAC305),其配製时各成份要达到均匀分佈将十分困难,因而要做到整体均质的共晶组成几乎不可能。无法达到像Sn63/Pb37那样在升降温过程中,不必通过任何浆态(Pasty State),而直接往返于液化或固化之间,其结构几可达无明显枝晶(Dendrites)的均质境界。


SAC305在冷却中,一开始会有局部纯锡率先固化,在大体中分散组成枝桠状的架体,其他剩馀液料在各个空架子中继续冷却固化时,会呈现体积减少的收缩情形,进而形成微裂的收口 (一块銲料最后冷却的外表中心部份)。一旦输送过程中发生震动时,其各种微裂还可能再扩大,致使强度变差。除非经SAC305之焊后能够加快速冷却速度(例如5-6℃/SeC),在减少枝架出现而较均质下,其整体结构将会变得比较细腻。


无铅焊接中非均质的焊料合金很难达到共熔的理想境界


非均质的焊料合金很难达到,,共熔”(Eutectic)的理想境界,因而其固化过程中会出现“浆态”(Pasty),也就是暂时会有固相(Dendrite)与液相共存的过渡期。直到全体固化完成时,才会出现杂质较多且脆弱不安定的疆界。
电路板焊接中的微裂现象


锡的熔点是231℃、银为961℃、铜为1083℃、SAC305的mp仅217℃。故知所加的3%银与0.5%铜,已达到降低合金熔点的效应。其中加A g后还可增加焊点的硬度与强度,不过也会在焊点中迅速形成A g3S n的长条状IMC,对长期可靠度将有不良影响。加铜后还另有减少额外铜份渗入的好处。波焊用的无铅銲料中,一旦铜量超过重量比1.0%时,銲点内部与表面会常出现针状结晶。不但强度降低,且针体太长时还将有短路的麻烦。


波焊电路板加工,不管是SAC或锡铜合金〈99.3Sn 、0.7Cu〉,都很容易遭到铜份过量的污染。一般解困的做法是在补充添加时,只加锡或锡银,而不再加铜; 但如何完善的管理流程,则仍需相当多的实做经验。


有铅波焊的铜污染太高时不均质的待焊面,对于后绩銲点强度会有不利的影响


无铅波焊中,由于铜污染太高经常会造成搭桥与冰山尖的后患


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