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简析锡铅焊料的二元相图

作者:sdxyx    发布时间:2022-11-16 09:20:19    浏览量:

虽然无铅锡膏(焊锡)已经是现代环保电子科技的主流了,但是基于信赖度的考虑,汽车业与军用电子都还有很多产品还在使用有铅的焊锡,因为有铅焊锡的焊接强度比无铅高出许多。

 

有铅锡膏的主要成份以锡铅为主,其他微量成份还有银、铋、铟等金属,各有其不同的熔点(M.P.),不过本文先假设这些微量的其他金属成分不会影响到锡膏的特性,所以我们可以先用锡铅的二元相图来解释锡膏的特性,因为三元以上的相图实在是太复杂了。而且不论是焊料或是IMC,其组成的份子越多,其结构也就越复杂,也越不容易管控,可靠度也越差。

 

参考一下文章的锡铅二元相图,横坐标表示锡铅的重量百分比(Wt%),纵坐标表示摄氏温度(°C)。 铅的熔点为327°C,所以相图的左上角就是从327°C开始的(100%的锡,A点),随着锡铅重量比的含锡量越来越多,这条【液化熔点(Liquidus m.p.) 】线的温度也就越来越低,当锡铅重量比来到最佳的Sn63/Pb37(实际为Sn61.9/Pb38.1,因为早期量测不准,以致造成误差),其液化熔点也达到最低的183°C,如果继续再增加含锡的比率,其液化熔点温度就会反转上升,到达纯锡时的232°C。

 

锡铅合金焊料除了61.9/38.1的重量比有个唯一的【共固点(E点)(Eutectic)】183°C之外,其他不同的重量比皆会出现两个熔点,温度较高者称为【液化熔点(Liquidus m.p.) 】,温度较低者称为【固化熔点(Solidus m.p.) 】。 介于两熔点之间的焊料则称之为【浆态(pasty)】,也就是固态与液态共存(co-exist)的高黏度流体。 所谓的浆态(pasty)其实就有点类似土石流的型式,因为其中可能是锡已经变成液态但是铅还是固态(αPb+L),或是刚好相反(βSn+L)。

 

至于为什么我们一定得用Sn63/Pb37的重量比例,这是因为纯锡的融点高达232°C,不易用于一般的PCB板组装焊接,或者说目前的电子零件都无法达到这样的高温,所以必须以锡为主,然后加入其他合金焊料来降低其熔点,以达到可以量产并节省能源的主要目的,也可以降低电子零件耐温的门坎,因为绝大部分电子产品的使用与储存环境都只会在-40° C~+70°C之间而已,所以183°C的熔点真已经是绰绰有余了;其次要目的是可以改善焊点的韧度(Toughness)与强度(Strength)。

 

一般的相图都会有α、β、γ等符号来表示相图中的固溶体,本锡铅相图只有二元,所以只用到α及β。 这张相图的α指的是铅(Pb)的固溶体,而β则是锡(Sn)的固溶体。

αPb相区(CBA)为富铅的固溶体,但是锡会溶解在铅之中,锡变成了溶质,在这个相区,锡的溶解度有其上限,从C点开始,随着温度的上升(CB线)到183°C时(B点),锡的溶解度来也到最高的18.3%,当温度继续升高(BA线),锡的溶解度反而渐渐变少至零(A点)。

 

βSn相区则为富锡的固溶体,相对的铅则溶解在锡之中,铅变成了溶质。 从H点开始,随着温度的上升(HG线)到183°C时(G点),锡的溶解度来也到最高的2.23%(=100-97.8),当温度继续升高(GF线),锡的溶解度反而渐渐变少至零(F点)。

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