雖然無鉛錫膏(焊錫)已經(jīng)是現(xiàn)代環(huán)保電子科技的主流了,但是基于信賴度的考量,汽車業(yè)與軍用電子都還有很多產(chǎn)品還在使用含鉛的焊錫,因為PCBA加工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(Sn)鉛(Pd)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(shè)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復(fù)雜了。
而且不論是焊料或是IMC,其組成的份子越多,其結(jié)構(gòu)也就越復(fù)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,因為早期量測不淮,以致造成誤差),其液化熔點也達到最低的183°C,如果繼續(xù)再增加含錫的比率,其液化熔點溫度就會反轉(zhuǎn)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(xiàn)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.)】。介于兩熔點之間的焊料則稱之為【漿態(tài)(pasty)】,也就是固態(tài)與液態(tài)共存(co-exist)的高黏度流體。所謂的漿態(tài)(pasty)其實就有點類似土石流的型式,因為其中可能是錫已經(jīng)變成液態(tài)但是鉛還是固態(tài)(αPb+L),或是剛好相反(βSn+L)。
至于為什么我們一定得用Sn63/Pb37的重量比例,這是因為純錫的融點高達232°C,不易用于一般的PCBA加工焊接,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,然后加入其他合金焊料來降低其熔點,以達到可以量產(chǎn)并節(jié)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(chǎn)品的使用與儲存環(huán)境都只會在-40°C~+70°C之間而已,所以183°C的熔點真已經(jīng)是綽綽有余了;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(qū)(CBA)為富鉛的固溶體,但是錫會溶解在鉛之中,錫變成了溶質(zhì),在這個相區(qū),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(xù)升高(BA線),錫的溶解度反而漸漸變少至零(A點)。
βSn相區(qū)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(zhì)。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(xù)升高(GF線),錫的溶解度反而漸漸變少至零(F點)。
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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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