有铅焊接:电子产品的可靠盟友

作者:深圳市捷汇多科技有限公司

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2004年之前,所有软钎焊均采用有铅焊接材料。有铅焊接材料应用广泛、技术成熟,焊点光滑且材料成本较低,为世界电子产品的普及应用做出了巨大贡献。这类材料因含有大量铅元素,而作为软金属代表的铅具备诸多优良物理性能:例如焊接时生成的锡铜IMC会随产品服役时间增加而长大,大尺寸IMC间形成的间隙会产生应力并导致机械强度降低,此时铅元素能以软质形态填充在IMC间隙及IMC与焊料之间,有效缓解IMC老化引发的应力破坏现象;同时,铅元素在有铅焊料中含量较高,降低了焊点焊锡的纯度,从而减少锡须生长的概率,因此有铅焊接较少出现因锡须导致的产品功能失效;此外,铅在焊接过程中不与铜、镍等焊接母材反应生成IMC,且与锡形成无限固溶体,二者不会通过化学反应生成IMC,这两种特性使有铅喷锡板的使用寿命远长于无铅喷锡板,且有铅喷锡板可进行烘烤作业,无铅喷锡板则可能因烘烤出现焊盘表面合金化,进而导致可焊性下降,因此要求禁止对其进行烘烤作业。受上述多种因素影响,业界在生产高可靠性产品时仍会选用有铅工艺,例如军工、航天、汽车、医疗、舰船、服务器等领域的产品通常优先采用有铅制程。


1.1 有共晶

有铅共晶焊料最常用的成分是锡63%-铅37%,业界常简称为6337。根据国家标准及行业标准,63%的范围为1%,即63±1%,也就是锡含量需控制在62%~64%之间,超出此范围的焊料不能被称为共晶焊料。

6337有铅共晶焊料的熔点为183℃,不存在混合相现象,即焊锡加热至183℃时会完全熔化,温度183℃时则完全不熔化,不会出现部分熔化、部分未熔化的情况。这一特性对焊接十分有利,能够避免因焊接温度接近临界值而产生瑕疵焊点的问题。

1.2 有铅非共晶焊接

业界常用的有铅非共晶焊料成分为6040,即60%的锡与40%的铅。该焊料的熔点为188℃,当焊接温度183℃时,焊料会变软但未完全熔化,此时形成的状态被称为非共晶焊料软相,由此产生的焊点不被接受,因为其机械强度极低,属于标准的冷焊不良现象。一般不推荐使用6040焊料,一方面是其熔点较高,另一方面是含铅量较高,既不利于焊接操作,也不利于提升产品可靠性。不过,6040焊料的成本低于6337,在用于低单价产品焊接时,焊锡含量标准常被放宽,例如锡含量允许为60±3%,实际应用中锡含量往往在57%~60%之间,铅含量则在40%~43%之间。部分产品在使用有铅共晶焊料焊接时,为提高焊点的耐温能力,会要求使用6040焊锡丝或焊锡条,以期获得高熔点的焊点。但实际应用证明,这一做法的效果十分有限,更多是生产者从材料成本角度出发选择6040成分的焊料。

1.3 高铅焊料

高铅焊料常用的成分有铅锡8020、铅锡9010、锡铅9208、铅锡9505四种。其中,80%铅-20%锡的焊料液相线温度为277℃,常用于制造CCGA铜包柱;常见的CCGA高铅柱成分是铅90%-锡10%,液相线温度为302℃;CBGA高铅核成分通常采用铅锡9010;第四代网包柱的主成分同样是铅锡8020(见图2.1.3-1 CCGA与CBGA

铅锡8020、9505、9208、9010成分在IC封装领域有所应用:铅80%-锡20%的液相线温度为277℃,铅90%-锡10%的液相线温度为302℃,铅92%-锡8%的液相线温度为305℃,铅95%-锡5%的液相线温度为312℃。℃。8020铅锡合金可用于测温板热电偶的固定,9010铅锡合金不推荐用于测温板热电偶的焊接。

1.4有铅含银焊料

以有铅共晶焊料为基础,添加适量银制成的含银有铅焊料(锡62%-铅36%-银2%),凝固温度为179℃,属于非共晶焊料由于含有一定量的银,其形成的焊点导电率及传热效果优于6337焊料,是有铅焊接制程中改善焊点电器特性的方案之一,对高频通讯产品、微波通讯产品的焊点有一定助益。但因焊料中含有银,材料成本相对较高。使用含银有铅焊料时,同仁可能会担心是否会增大银迁移或Ag₃Sn飞丝短路的风险,不过截至目前,业界尚无此类案例报道,笔者也尚未收集到相关信息。

1.5有铅含锑焊料

J-STD-006文件中,罗列的含锑合金成份较多,包括Sn2Pb96Sb2(液相线温度307℃)、Sn20Pb79Sb1(液相线温度270℃)、Sn20Pb80Sb0.4(液相线温度277℃)、Sn25Pb74Sb1(液相线温度263℃)、Sn30Pb68.4Sb1.6(液相线温度250℃)……Sn63Pb37Sb0.4(液相线温度193℃)等。焊料中添加锑元素,可有效防止锡须生长,还能提高焊点熔点,改善产品在高温环境下的服役寿命,例如使用含锑焊料焊接汽车发动机附近的控制板卡,相比普通焊料可延长产品的有效寿命。

1.6特殊焊料

在有铅焊料中,为适应某些应用场景,会调整合金配方以满足焊接需求。例如,使用含铋的有铅焊料可完成低温焊接,如散热器、显示屏、高频头的焊接等;使用锡铅银锑焊料则适用于高温工作环境、高应力服役条件等场景。


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