无铅焊锡膏

无铅焊锡膏的成分及最佳合金成分比较

在无铅锡膏的成分中，首要是由锡/银/铜三部分组成，由银和铜来代替本来的铅的成分。

一、根本的特性和现象

在锡/银/铜体系中，锡与次要元素(银和铜)之间的冶金反响是决议运用温度、固化机制以及机械功用的首要因素。依照二元相位图，在这三个元素之间有三种或许的二元共晶反响。银与锡之间的一种反响在221°C构成锡基质相位的共晶结构和ε金属之间的化合相位(Ag3Sn)。铜与锡反响在227°C构成锡基质相位的共晶结构和η金属间的化合相位(Cu6Sn5)。银也能够与铜反响在779°C构成富银α相和富铜α相的共晶合金。可是，在现时的研讨中1，对锡/银/铜三重化合物固化温度的丈量，在779°C没有发现相位改动。这表示很或许银和铜在三重化合物中直接反响。而在温度动力学上更适于银或铜与锡反响，以构成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间的化合物。因而，锡/银/铜三重反响可意料包含锡基质相位、ε金属之间的化合相位(Ag3Sn)和η金属间的化合相位(Cu6Sn5)。

和双相的锡/银和锡/铜体系所承认的一样，相对较硬的Ag3Sn和Cu6Sn5 粒子在锡基质的锡/银/铜三重合金中，可通过建立一个长期的内部应力，有效地强化合金。这些硬粒子也可有效地阻挠疲惫裂纹的延伸。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的构成可分隔较纤细的锡基质颗粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越纤细，越能够有效的分隔锡基质颗粒，成果是得到全体更纤细的微安排。这有助于颗粒鸿沟的滑动机制，因而延长了提升温度下的疲惫寿数。

尽管银和铜在合金规划中的特定配方对得到合金的机械功用是关键的，但发现熔化温度对0.5~3.0%的铜和3.0~4.7%的银的含量改动并不灵敏。

机械功用对银和铜含量的相互联系别离作如下总结2：当银的含量为大约3.0~3.1%时，屈从强度和抗拉强度两者都随铜的含量添加到大约1.5%，而简直成线性的添加。超越1.5%的铜，屈从强度会减低，但合金的抗拉强度保持安稳。全体的合金塑性对0.5~1.5%的铜是高的，然后跟着铜的进一步添加而下降。对于银的含量(0.5~1.7%规模的铜)，屈从强度和抗拉强度两者都随银的含量添加到4.1%，而简直成线性的添加，可是塑性削减。

在3.0~3.1%的银时，疲惫寿数在1.5%的铜时到达最大。发现银的含量从3.0%添加到更高的水平(达4.7%)对机械功用没有任何的进步。当铜和银两者都配制较高时，塑性遭到危害，如96.3Sn/4.7Ag/1.7Cu。

最佳合金成分

合金95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu被认为是最佳的。其杰出的功用是纤细的微安排构成的成果，微安排给予高的疲惫寿数和塑性。对于0.5~0.7%铜的焊锡合金，任何高于大约3%的含银量都将添加Ag3Sn的粒子体积分数，然后得到更高的强度。可是，它不会再添加疲惫寿数，或许由于较大的Ag3Sn粒子构成。在较高的含铜量(1~1.7%Cu)时，较大的Ag3Sn粒子或许或许超越较高的Ag3Sn粒子体积分数的影响，形成疲惫寿数下降。当铜超越1.5%(3~3.1%Ag)，Cu6Sn5粒子体积分数也会添加。可是，强度和疲惫寿数不会随铜而进一步添加。在锡/银/铜三重体系中，1.5%的铜(3~3.1%Ag)最有效地发生恰当数量的、最纤细的微安排尺寸的Cu6Sn5粒子，然后到达最高的疲惫寿数、强度和塑性。

据报道，合金93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu是217°C温度的三重共晶合金3。可是，在冷却曲线丈量中，这种合金成分没有观察到精确熔化温度。而得到一个小的温度规模：216~217°C。

这种合金成分进步现时研讨中的三重合金成分最高的抗拉强度，但其塑性远低于63Sn/37Pb。合金95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu比95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的屈从强度低。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的疲惫寿数低于95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu。假如颗粒鸿沟滑动机制首要决议共晶焊锡合金，那么95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，而不是93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu，应该更接近真正的共晶特性。

别的，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu比93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu具有经济优势。

与63Sn/37Pb比较

3.0~4.7%Ag和0.5~1.7%Cu的合金成分一般具有比63Sn/37Pb更高的抗拉强度。例如，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu和93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu在强度和疲惫特性上比63Sn/37Pb好得多。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性较63Sn/37Pb低，而95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的塑性比63Sn/37Pb还高。与96.5Sn/3.5Ag比较

95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu具有216~217°C的熔化温度(简直共晶)，比共晶的96.5Sn/3.5Ag低大约4°C。当与96.5Sn/3.5Ag比较根本的机械功用时，研讨中的特定合金成分在强度和疲惫寿数上表现更好。可是，含有较高银和铜的合金成分，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性比93.6Sn/4.7Ag低。

与99.3Sn/0.7Cu比较

3.0~4.7%Ag和0.5~1.5%Cu的锡/银/铜成分合金具有较好的强度和疲惫特性，但塑性比99.3Sn/0.7Cu低。

引荐

锡/银/铜体系中最佳合金成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，它具有杰出的强度、抗疲惫和塑性。可是应该注意的是，锡/银/铜体系能够到达的最低熔化温度是216~217°C，这还太高，以适于现时SMT结构下的电路板运用(低于215°C的熔化温度被认为是一个实际的标准)。

总而言之，含有0.5~1.5%Cu和3.0~3.1%Ag的锡/银/铜体系的合金成分具有适当好的物理和机械功用。适当而言，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu本钱比那些含银量高的合金低，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu。在某些情况中，较高的含银量或许减低某些功用。

设定锡膏回流温度曲线

正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。

一、测验办法

在运用外表贴装元件的印刷电路板(PCB)安装中，要得到优质的焊点，一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。温度曲线是施加于电路安装上的温度对时刻的函数，当在笛卡尔平面作图时，回流进程中在任何给定的时刻上，代表PCB上一个特定点上的温度构成一条曲线。几个参数影响曲线的形状，其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。带速决议机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时刻，添加持续时刻能够答应更多时刻使电路安装挨近该区的温度设定。每个区所花的持续时刻总和决议总共的处理时刻。

每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度，高温在PCB与区的温度之间发生一个较大的温差。添加区的设定温度答应机板更快地到达给定温度。因而，有必要作出一个图形来决议PCB的温度曲线。接下来是这个进程的概括，用以发生和优化图形。

在开端作曲线进程之前，需求下列设备和辅助东西：温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的东西和锡膏参数表。可从大多数首要的电子东西供货商买到温度曲线附件东西箱，这东西箱使得作曲线便利，由于它包含全部所需的附件(除了曲线仪本身)

许多回流焊机器包含了一个板上测温仪，甚至一些较小的、廉价的台面式炉子。测温仪一般分为两类：实时测温仪，即时传送温度/时刻数据和作出图形；而另一种测温仪采样贮存数据，然后上载到计算机。

热电偶有必要长度足够，并可经受典型的炉膛温度。一般较小直径的热电偶，热质量小响应快，得到的成果精确。

有几种办法将热电偶附着于PCB，较好的办法是运用高温焊锡如银/锡合金，焊点尽量最小。

另一种可接受的办法，快速、简单和对大多数运用足够精确，少量的热化合物(也叫热导膏或热油脂)斑点覆盖住热电偶，再用高温胶带(如Kapton)粘住。

还有一种办法来附着热电偶，就是用高温胶，如氰基丙烯酸盐粘合剂，此办法一般没有其它办法牢靠。 附着的位置也要选择，一般最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。

锡膏特性参数表也是必要的，其包含的信息对温度曲线是至关重要的，如：所期望的温度曲线持续时刻、锡膏活性温度、合金熔点和所期望的回流最高温度。

开端之前，有必要抱负的温度曲线有个根本的知道。理论上抱负的曲线由四个部分或区间组成，前面三个区加热、终究一个区冷却。炉的温区越多，越能使温度曲线的概括到达更精确和挨近设定。大多数锡膏都能用四个根本温区成功回流。

预热区，也叫斜坡区，用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区，产品的温度以不超越每秒2~5°C速度连续上升，温度升得太快会引起某些缺点，如陶瓷电容的纤细裂纹，而温度上升太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时刻使PCB到达活性温度。炉的预热区一般占整个加热通道长度的25~33%。

焊锡膏

焊锡膏

活性区，有时叫做干燥或浸湿区，这个区一般占加热通道的33~50%，有两个功用，第一是，将PCB在适当安稳的温度下感温，答应不同质量的元件在温度上同质，削减它们的适当温差。第二个功用是，答应助焊剂活性化，挥发性的物质从锡膏中挥发。一般遍及的活性温度规模是120~150°C，假如活性区的温度设定太高，助焊剂没有足够的时刻活性化，温度曲线的斜率是一个向上递加的斜率。尽管有的锡膏制造商答应活性化期间一些温度的添加，可是抱负的曲线要求适当平稳的温度，这样使得PCB的温度在活性区开端和结束时是相等的。市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线，选择能维持平坦的活性温?度曲线的炉子，将进步可焊接功用，运用者有一个较大的处理窗口。 回流区，有时叫做峰值区或终究升温区。这个区的作用是将PCB安装的温度从活性温度进步到所引荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点，而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度规模是205~230°C，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超越每秒2~5°C，或到达回流峰值温度比引荐的高。这种情况或许引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并危害元件的完整性。

今日，最遍及运用的合金是Sn63/Pb37，这种份额的锡和铅使得该合金共晶。共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金，非共晶合金有一个熔化的规模，而不是熔点，有时叫做塑性装态。本文所述的一切比如都是指共晶锡/铅，由于其运用广泛，该合金的熔点为183°C。

抱负的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像联系。越是接近这种镜像联系，焊点到达固态的结构越严密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。

作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定，该设定将决议PCB在加热?通道所花的时刻。典型的锡膏制造厂参数要求3~4分钟的加热曲线，用总的加热通道长度除以总的加热感温时刻，即为精确的传输带速度，例如，当锡膏要求四分钟的加热时刻，运用六英尺加热通道长度，计算为：6 英尺 ÷ 4 分钟 = 每分钟 1.5 英尺 = 每分钟 18 英寸。

接下来有必要决议各个区的温度设定，重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显现温度。显现温度只是代表区内热敏电偶的温度，假如热电偶越接近加热源，显现的温度将相比照区间温度较高，热电偶越接近PCB的直接通道，显现的温度将越能反响区间温度。正确的是向炉子制造商咨询了解清楚显现温度和实际区间温度的联系。本文中将考虑的是区间温度而不是显现温度。表一列出的是用于典型PCB安装回流的区间温度和温度确认后，有必要输入到炉的控制器。看看手册上其它需求调整的参数，这些参数包含冷却电扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。一旦一切参数输入后，发动机器，炉子安稳后(即，一切实际显现温度挨近符合设定参数)能够开端作曲线。下一部将PCB放入传送带，触发测温仪开端记载数据。为了便利，有些测温仪包含触发功用，在一个相对低的温度主动发动测温仪，典型的这个温度比人体温度37°C(98.6°F)稍微高一点。例如，38°C(100°F)的主动触发器，答应测温仪简直在PCB刚放入传送带进入炉时开端工作，不至于热电偶在人手上处理时发生误触发。

二、测验成果剖析

首要，有必要证明从环境温度到回流峰值温度的总时刻和所期望的加热曲线居留时刻相和谐，假如太长，按份额地添加传送带速度，假如太短，则相反。

选择与实际图形形状最相和谐的曲线。应该考虑从左道右(流程顺序)的偏差，例如，假如预热和回流区中存在差异，首要将预热区的差异调正确，一般最好每次调一个参数，在作进一步调整之前运行这个曲线设定。这是由于一个给定区的改动也将影响随后区的成果。我们也建议新手所作的调整起伏适当较小一点。一旦在特定的炉上取得经验，则会有较好的“感觉”来作多大起伏的调整。

当终究的曲线图尽或许的与所期望的图形相吻合，应该把炉的参数记载或贮存以备后用。尽管这个进程开端很慢和费力，但终究能够取得娴熟和速度，成果得到高品质的PCB的高效率的生产。