共晶焊料及无铅焊料的优点和应用

1.焊料的种类

焊料是焊接中用来连接被焊金属与易熔的金属及其合金,焊料的熔点比被焊物熔点低,而且要易于与被焊物连为一体。

焊料按其组成成分,可分为锡铅焊料、银焊料、铜焊料和无铅焊料。不同的焊料具有不同的焊接特性,应根据焊接点的不同要求来合理选择。

2.锡铅焊料

在前些年,工业生产中使用的焊料绝大多数是锡铅焊料,俗称焊锡。在市场上出售的焊锡,由于生产厂家的不同其配制比例也有很大差别。如果焊料中Sn 和Pb 的配比为62.7%和37.3%,这种焊料在焊接时不经过半凝固状态,而熔点与凝固点相同(均为183 ℃),称为共晶焊料,其优点是:熔点低,结晶间隔短,流动性好,机械强度高。

市场上常见的焊锡配比还有:①60%Sn、32%Pb,熔点182 ℃;②50%Sn、32%Pb、18%Cd,熔点145 ℃;③35%Sn、42%Pb、23%Bi,熔点150 ℃。这些锡铅焊料都具有熔点低、抗腐蚀性能好、凝固快、成本低、与铜及其他合金的钎焊性能好、导电性能好等优点,具体如下:

(1)熔点低。使用25 W 外热式或20 W 内热式电烙铁便可进行焊接。

(2)具有一定机械强度。因锡铅合金的强度比纯锡、纯铅的强度要高,本身重量较轻,对焊点强度要求不是很高,故能满足其焊点的强度要求。

(3)具有良好的导电性能。

(4)抗腐蚀性能好。焊接好的印制电路板不必涂抹任何保护层就能抵抗大气的腐蚀,从而减少了工艺流程,降低了成本。

(5)对元器件引线和其他导线的附着力强,不易脱落。

由于用锡铅焊料制造的电子产品报废以后,焊料中的铅易溶于含氧的水中,污染水源,破坏环境;且因其可溶解性会使它在人体内累积,损害神经,导致呆滞、高血压、贫血、生殖功能障碍等疾病,浓度过大时,可能致癌。为了消除铅污染,我国已于2006年7月1日起广泛采用无铅焊料。

3.无铅焊料

无铅焊料通常是以锡为主体,添加其他金属制造而成。目前,国际上对无铅焊料的成分并没有统一的标准要求。无铅焊料中并不是一点铅都没有,只是规定铅的含量必须少于0.1%。无铅焊料的性能比较稳定,各种焊接特性参数接近有铅焊料。

1)对无铅焊料的技术要求

无铅合金焊料应该无毒或毒性极低,现在和将来都不会成为新的污染源;导电率、导热率、润湿性、机械强度和抗老化性等性能,至少应该相当于当前使用的锡铅共晶焊料;并且应该容易检验焊接质量,容易修理有缺陷的焊点;所选用的材料能保证充分供应且价格便宜;使用无铅焊料进行焊接,尽可能不需要更换原有的设备,不需要改变工艺条件。

2)无铅焊料的特点和性能

(1)Sn-Ag 系列焊料。这种焊料的机械性能、拉伸强度、蠕变特性及耐热、耐老化性能比锡铅共晶焊料优越,延展性稍差。主要缺点是熔点温度偏高、润湿性差、成本高。(www.xing528.com)

现在已经投入使用最多的无铅焊料就是这种合金,配比为96.3%Sn、3.2%Ag、0.5%Cu,美国推荐使用的配比是94.5%Sn、4.0%Ag、0.5%Cu,日本推荐的配比是96.2% Sn、3.2%Ag、0.6%Cu,其熔点为217～218 ℃。

(2)Sn-Zn 系列焊料。这种焊料的机械性能、拉伸强度比锡铅共晶焊料好,可以拉成焊料线材使用;蠕变特性好,变形速度慢,拉伸变形至断裂的时间长;主要缺点是Zn 极容易氧化,润湿性和稳定性差,具有腐蚀性。

(3)Sn-Bi 系列焊料。这种焊料是在Sn-Ag 系列的基础上,添加适量的Bi 组成。其优点是熔点低,与锡铅共晶焊料的熔点相近;蠕变特性好,增大了拉伸强度;缺点是延展性差,质地硬且脆,可加工性差,不能拉成焊料线材。

3)无铅焊料存在的缺陷

现在,无铅焊料已经在国内众多电子制造企业中开始使用,但它目前仍然存在一些缺陷,仅就一般手工焊接来说,无铅焊料在焊接时,润湿、扩展的面积只有锡铅共晶焊料的1/3 左右。无铅焊料的熔点一般比锡铅共晶焊料的熔点高34～44 ℃,这就要求电烙铁的工作在比较高的温度区域,会使烙铁头更容易氧化,使用寿命变短。

因此,使用无铅焊料进行手工焊接必须注意选用热量稳定、均匀的电烙铁。在使用无铅焊料进行焊接作业时,出于对元器件耐热性以及安全作业的考虑,一般应当选择烙铁头温度在350～370 ℃以下的电烙铁。控制烙铁头的温度非常重要,要根据使用的焊料,选择最合适的烙铁头,设定焊接温度并随时调整。

4.常用焊料的形状

焊料在使用时常按规定的尺寸加工成形,有片状、块状、棒状、带状和丝状等多种。

1)丝状焊料

通常称为焊锡丝,中心包着松香,叫松脂芯焊丝,手工烙铁锡焊时常用。松脂芯焊丝的外径通常有0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm、2.3 mm、3.0 mm 等规格。

2)片状焊料

常用于硅片及其他片状焊件的焊接。

3)带状焊料

常用于自动装配的生产线上,用自动焊机从制成带状的焊料上冲切一段进行焊接,以提高生产效率。

4)焊料膏

将焊料与助焊剂拌和在一起制成,焊接时先将焊料膏涂在印制电路板上,然后进行焊接。焊料膏在自动贴片工艺上已经大量使用。