锡铅比例
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焊锡的定义:
一般来说,焊锡是由锡(融点232度)和铅(熔点327度)组成的合金。
其中由锡63%和铅37%组成的焊锡被称为共晶焊锡,这种焊锡的熔点是183度。
当锡的含量高于63%,溶化温度升高,强度降低.当锡的含量少于10%时,焊接强度差,接头发脆,
焊料润滑能力变差.最理想的是共晶焊锡.在共晶温度下,焊锡由固体直接变成液体,无需经过
半液体状态.共晶焊锡的熔化温度比非共晶焊锡的低,这样就减少了被焊接的元件受损坏的机
会.同时由于共晶焊锡由液体直接变成固体,也减少了虚焊现象.所以共晶焊锡应用得非常的
广泛.
常用的焊锡是锡铅合金焊锡:
纯锡Sn(Stan-num)为银白色,有光泽,富有延展性,在空气中不易氧化,它的熔点为232℃。锡能与大多数金属熔融而形成合金。但纯锡的材料呈脆性,为了增加焊料的柔韧性
和降低焊料的熔点,必须用另一种金属与锡融合,以缓和锡的性能。
纯铅Pb(Plum-bum)为青灰色,质软而重,有延展性,容易氧化,有毒性,纯铅的熔点为327℃。
当锡和铅按比例融合后,构成锡铅合金焊料,此时,它的熔点变低,使用方便,并能与大多
数金属结合。
焊锡的熔点会随着锡铅比例的不同而变化,锡铅合金的熔点低于任何其它合金的熔点。优质
的焊锡它的锡铅比例是按63%的锡和37%的铅配比的,这种比例的焊锡,其熔点为183℃。
有些质量较差的焊锡熔点较高,而且凝固后焊点粗糙呈糠渣状,这是由于焊锡中铅含量过高
所致。
合金成份熔点℃松香含量%用途
Sn63/Pb37 183 1.0-3.0 熔点最低,抗拉强度与剪切强度高,润湿好,适用于高档电子产品或高要求的电
子﹑电气工业使用。
Sn60/Pb40 183-190
Sn55/Pb45 183-203 一般电子﹑电气﹑玩具行业使用。
Sn50/Pb50 183-216
Sn45/Pb55 183-227 使用于制罐业﹑汽车制造业﹑保险丝及要求不高的焊接场所或作其它用途。
Sn40/Pb60 183-238
Sn35/Pb65 183-247
Sn30/Pb70 183-255
无铅选择:锡/银/铜/铋系统
锡/银/铜/铋的最佳化学成分,从SMT制造的观点来看,是很有用的,特别是因为它提供较低的回流温度,这是需要的关键
所在。
最佳化学成分
在锡/银/铜/铋系统中的三个元素都会影响所得合金的熔点1,2。目标是要减少所要求的回流温度;找出在这个四元系统中每个元素的最佳配剂,同时将机械性能维持在所希望的水平上,这是难以致信的复杂追求,也是科学上吸引人的地方。
以下是在实际配剂范围内一些有趣的发现(所有配剂都以重量百分比表示):
熔化温度随着铜的增加而下降,在0.5%时达到最小。超过0.5%的铜,熔化温度几乎保持不变。
类型地,当增加银时熔化温度下降,在大约3.0%时达到最小。当银从3.0%增加到4.7%时合金熔化温度的减少可以忽略。
铋对进一步减少熔化温度起主要作用。可是,可加入的铋的量是有限的,因为它对疲劳寿命和塑性有非常大的破坏作用。
适当的铋的量大约为3~3.5%。
美国专利5,520,752 透露了一种从锡/银/铋/铜所选的无铅合金:在重量上,大约86~97%的锡、大约0.3~4.5%的银、大
约0~9.3%的铟、大约0~4.8%的铋和大约0~5%的铜。3
在3.0~3.1%的铋和3.0~3.4%的银、0.5%的铜时,最有效地增加疲劳寿命。再增加任何铜都不会影响疲劳寿命。
当铋保持在3~3.1%和铜在0.5~2%时,3.1%的银是达到最大疲劳寿命的最有效的配剂。
在系统化设计出来的化学成分之中,显示所希望性能的最好平衡,即,熔化温度、强度、塑性和疲劳寿命。
基本的特性与现象
基于Sn/Ag与Sn/Cu的二元相图,银与锡之间的相互作用形成一种Ag3Sn的金属间化合物,而铜与锡反应形成Cu6Sn5的金属间化合物。对锡/铋相互作用,预料铋原子作为替代原子进入晶格位置达1.0%;超过1.0%之后,铋原子作为独立的第
二相沉淀出来。
铋的角色是非常“有力的”2。人们认为,铋的沉淀- 强化机制通常遵循Mott和Nabbaro应力场理论1,2,因为所测得的合金强度与铋的沉淀体积分数成比例关系。这说明铋沉淀物的强化作用主要来自长期内部应力。
93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu可能具有最细的微结构特征尺寸,这解释了它的高疲劳寿命和塑性。银含量高于大约3%预料会增加Ag3Sn颗粒的体积分数,结果强度更高但塑性和疲劳寿命更低。所观察到的高含银量的较低疲劳寿命与较大的Ag3Sn 颗粒有关,它使Ag3Sn颗粒体积分数更高。据推测,在含有3~3.4%的银和3~3.1%的铋的锡/银/铜/铋系统中,0.5%的铜最有效地产生适量的、具有最细的微结构尺寸的Cu6Sn5颗粒,因此得到高的疲劳寿命、强度和塑性。
与63Sn/37Pb的比较
最佳的化学成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供较高的强度,以及比Sn63/Pb37高出大约200%的疲劳寿命。
与96.5Sn/3.5Ag的比较
93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu具有209° ~ 212°C的熔点温度,比共晶的96.5Sn/3.5Ag低9°C。比较它们基本的机械性能,
最佳成分在强度和疲劳寿命上表现较好,如高出大约155%的疲劳寿命。它的塑性比96.5Sn/3.5Ag低,但足够。
与99.3Sn/0.7Cu的比较
93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu比99.3Sn/0.7Cu表现出好得多的强度与疲劳寿命,但塑性较低。其熔点温度比96.5Sn/3.5Ag
低15°C。
与Sn/Ag/Cu的比较
甚至是与锡/银/铜系统中的最佳性能的化学成分(95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu)相比较时,93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu表现出高得多的强度(屈服强度与抗拉强度)。其疲劳寿命较低,但还是优越于其它二元焊锡。
锡/银/铜/铋系统超过锡/银/铜系统最重要的优点是较低的熔化温度。最佳成分提供比锡/银/铜共晶熔点(216 ~ 217°C)低至少5°C。这种锡/银/铜共晶合金熔化温度还太高,不能适应当今SMT结构下的各种电路板的应用(熔化温度低于215°C更现实一
点)。
推荐
熔化比锡/银/铜共晶合金低几度,锡/银/铜/铋化学成分在表面贴装制造中处于优势的位置。考虑到各种印刷电路板(PCB)装配与过程窗口的要求,具有低于215°C熔点的合金对保持已建立的SMT结构的可制造性是必要的。
锡/银/铜/铋系统中最佳的无铅焊锡化学成分是93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu。它具有比63Sn/37Pb更高的强度和疲劳阻抗,