锡膏

成分

锡膏是由合金粉末和助焊剂以及一些添加剂混合而成的膏状体。在锡膏的成分中,合金粉末是主要的成分,决定着锡膏的特征和焊点的质量,而助焊剂主要起到助焊和改善印刷效果的作用,对最终的焊接质量有着非常重要的影响。

一、助焊剂成分

助焊剂主要有活化剂、触变剂、松香、溶剂等成分构成。

助焊剂成分构成

1、活化剂

活化剂主要有胺、苯胺、联氨卤化盐、硬脂酸等材料做成。主要起到去除PCB焊盘和元件引脚的氧化物质,并降低锡、铅的表面张力的作用。

2、触变剂

使锡膏具有触变性,即在剪切力(施加压力)的作用下具有流动性,在静止时保持形状,提高印刷性能。

3、松香

松香是一种树脂或者采用合成树脂,可去除焊端的金属氧化物,并防止焊接金属表面的氧化,使锡膏具有粘性和粘着力。

4、溶剂

溶剂由甘油、乙醇类、酮类等材料做成,主要起到溶解助焊剂各成分,提供流动性,调节黏度,在搅拌过程中起到调节均匀的作用。

根据助焊剂活性和腐蚀性水平可分为:低、中、高。在每一个这些次分类中,进一步的分级由0和1表示。0表示不含卤化物,而1表示在低活性的助焊剂种类中小于0.5%的卤化物含量,在中等活性的助焊剂种类中0.5-2.0%的卤化物含量,在高活性的助焊剂种类中大于2.0%的卤化物含量。

二、合金粉末成分

合金粉末又称为锡粉,主要由锡铅、锡铋、锡银铜合金组成,一般锡是合金粉末中必备的成分。目前合金粉末的成分可由锑、铋、铜、镍、铟、铅、银、锡、锌、锗等金属合成,采用不同的金属合成,锡膏的性能会有非常大的区别。

锡膏合金粉末成分


1、锡粉的相关特性及其品质要求


(1)锡粉含量、颗粒的大小、温度、剪切速率对粘度的影响

A、锡膏合金粉末含量对粘度的影响——锡膏中合金粉末的增加引起粘度的增加; 

B、锡膏合金粉末颗粒大小对粘度的影响——颗粒度增大时粘度会降低。

Ø  细小颗粒的锡膏印刷性比较好,特别对高密度、窄间距的产品,由于钢网开口尺寸小,必须采取小颗粒合金粉末,否则会影响印刷脱模。

Ø  小颗粒合金粉末的优点:印刷性好,印刷图形的清晰度高。

Ø  小颗粒合金粉末的缺点:易塌边、表面面积大的易被氧化。

SMT元器件引脚间距和焊料颗粒的关系
引脚间距(mm)0.8以上0.650.50.4
颗粒直径(um)75以下60以下50以下40以下

C、温度对锡膏粘度的影响:温度升高,粘度下降,印刷的最佳环境温度为23±3℃;

D、剪切速率对锡膏粘度的影响:剪切速率增加粘度下降。


(2)锡粉的颗粒形态对锡膏性能的影响

A、重要的一点是要求锡粉颗粒大小分布均匀,这里要谈到锡粉颗粒度分布比例的问题;在国内的焊料粉或焊锡膏生产厂商,大家经常用分布比例来衡量锡粉的均匀度:以25~45μm的锡粉为例,通常要求35μm左右的颗粒分度比例为80%左右,大于45μm应少于1%,小于20μm应少于10%。

                                                                         四种粒度等级的锡膏


80%以上的颗粒尺寸(μm) 大颗粒要求微粉颗粒要求
1      75—150>150μm的颗粒应少于1% <20μm微粉颗粒应少于10% 
2      45—75>75μm的颗粒应少于1%
3      20—45>45μm的颗粒应少于1%
4     20—38>38μm的颗粒应少于1%

B、另外也要求锡粉颗粒形状较为规则;根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》(SJ/T 11186-1998)”中相关规定如下:“合金粉末形状应是球形的,但允许长轴与短轴的最大比为1.5的近球形状粉末。如用户与制造厂达成协议,也可为其他形状的合金粉末。”在实际的工作中,通常要求为锡粉颗粒长、短轴的比例一般在1.2以下。

C、如果以上A-1及A-2的要求项不能达到上述基本的要求,在焊锡膏的使用过程中,将很有可能会影响锡膏印刷、点注以及焊接的效果。


(3)锡粉与助焊剂的比例不同对锡膏焊接性能的影响

各种锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同,选择锡膏时,应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面,去选择不同的锡膏。

A、根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》(SJ/T 11186-1998)”中相关规定,“焊膏中合金粉末百分(质量)含量应为65%-96%,合金粉末百分(质量)含量的实测值与订货单预定值偏差不大于

±1%”;通常在实际的使用中,所选用锡膏其锡粉含量大约在90%左右,即锡粉与助焊剂的比例大致为90:10;

B、普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在89-91.5%的锡膏;

C、当使用针头点注式工艺时,多选用锡粉含量在84-87%的锡膏;

D、回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件(阻容器件)端头高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬升,而焊锡膏中金属合金的含量,对回流焊焊后焊料厚度(即焊点的饱满程度)有一定的影响;为了证实这种问题的存在,有关专家曾做过相关的实验。


(4)锡粉的“低氧化度”对焊接品质的影响

这是锡粉在生产或保管过程中应该注意的一个问题;如果不注意这个问题,用氧化度较高的锡粉做出的焊锡膏,将在焊接过程中严重影响焊接的品质。


2、不同的金属成分在锡膏中所起的作用

(1)锑

添加锑以增加强度,而不影响润湿性。防止锡虫。应避免使用锌,镉或镀锌金属,因为这些会导致焊点脆。

(2)铋

铋可显著降低熔点并改善润湿性。在有足够的铅和锡的情况下,铋会形成熔点仅为95℃的Sn16Pb32Bi52晶体,这些晶体沿着晶界扩散,并可能在较低温度下会引起焊点的故障。因此,当用含铋焊料进行焊接时,预先镀有铅合金的大功率部件在负载下脱硫。这种焊点也容易开裂。具有超过47%Bi的合金在冷却时膨胀,其可以用于抵消热膨胀失配应力。阻止锡晶须的生长。不过价格相对昂贵,可用性有限。

(3)铜

铜可降低熔点,提高耐热循环疲劳性能,并改善熔融焊料的润湿性能。它也降低了铜从板上的溶解速度,并使液体焊料中的部分引线减慢,形成金属化合物。可促进锡晶须的生长。可以使用(约1%)铜在锡中的溶液来抑制BGA芯片的薄膜凸起下金属化的溶解,例如,作为Sn94Ag3Cu3。

(4)镍

可以将镍添加到焊料合金中以形成过饱和溶液以抑制薄膜凸起下金属化的溶解。

(5)铟

铟可降低熔点并延长延展性。在铅的存在下,它形成在114℃下发生相变的三元化合物。非常高的成本(几倍的银色),可用性低。容易氧化,这导致维修和重新制造的问题,特别是当不能使用氧化物除去助焊剂时。在GaAs芯片附着期间。铟合金主要用于低温应用,并且用于将金溶解,比锡中少得多。铟还可以焊接许多非金属(例如玻璃,云母,氧化铝,氧化镁,二氧化钛,氧化锆,瓷,砖,混凝土和大理石)。铟基焊料易于腐蚀,特别是在存在氯离子时。

(6)铅

铅是廉价的,具有合适的性能。比锡更润湿。不过具有有毒性,在一些国家已被淘汰。可阻止锡须的生长,抑制锡害虫。降低铜和其他金属在锡中的溶解度。

(7)银

银提供机械强度,但延展性比铅更差。在没有铅的情况下,它可以提高热循环对疲劳的抵抗力。使用具有HASL-SnPb涂层引线的SnAg焊料熔点为179℃,向锡中添加银可显著降低银涂层在锡相中的溶解度。在共晶锡 - 银(3.5%Ag)合金中,它倾向于形成Ag3Sn的血小板,如果在高应力点附近形成,则可以作为裂纹的起始位置;需要将银含量保持在3%以下以抑制这些问题。

(8)锡

锡是通常是锡膏中基本的成分。它具有良好的强度和润湿性。不过本身就容易出现锡害,锡哭,以及锡晶须的生长。容易溶解银、金以及其它金属,例如,铜对于具有较高熔点和回流温度的锡合金来说,这是一个特别的问题。

(9)锌

锌可降低熔点,成本低廉。然而,它在空气中非常易于腐蚀和氧化,因此含锌合金不适合于某些焊接,例如,含锌锡膏的保质期比无锌的要短。可以形成与铜接触的脆性Cu-Zn金属间化合物层。

(10)锗

锡类无铅焊料中的锗,可抑制氧化物的形成;低于0.002%会增加氧化物的形成。抑制氧化的最佳浓度为0.005%。

三、不同锡膏的成分对比

锡膏根据是否含有铅成分,可分为有铅锡膏和无铅锡膏;根据回流焊接的温度,可分为高温锡膏、中温锡膏和低温锡膏,根据有无卤素可分为有卤锡膏和无卤锡膏。

类型成分(一般)熔点℃功能用途
有铅锡膏锡、铅183不环保
无铅锡膏锡、银、铜217环保
高温锡膏锡、银、铜217以上
中温锡膏锡、银、铋144-179
低温锡膏锡、铋138散热器模组焊接,LED焊接,高频焊接
有卤锡膏
183以上不环保
无卤锡膏锡、银、铜217以上环保

在锡膏的成分中,含有铅成分的锡膏的焊接性能要比其他成分锡膏的要好,但由于铅对人体的危害性,铅在电子产品中的应用越来越少,随着环保的要求以及技术的不断技术,锡膏正朝着无铅化和无卤化的方向发展。


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