金屬雜質對焊料的影響討論

蘇州市力創(chuàng)焊錫制造有限公司金屬雜質對焊料的影響講師：范晶波職稱：工程師、研發(fā)副理制作：工程技術部/E-mail:licfan@163.com金屬雜質對焊料的影響1.雜質對錫鉛焊料的影響

1.1.錫鉛焊料中存在的雜質1.2.雜質的表現(xiàn)特性或帶入途徑2.雜質對無鉛焊料的影響

2.1.無鉛合金液雜質含量界限2.2.銅含量對焊錫特性的影響3.Cu雜質超標處理對策

3.1錫鉛焊料中銅超標處理3.2無鉛焊料SAC銅超標處理

1.雜質對錫鉛焊料的影響1.1.錫鉛合金中存在的雜質：雜質對焊料性能的影響Sb/銻含量大時，焊料硬度增大，流動性下降，含量超過1%時鋪展面積減少25%Cu/銅是焊料熔點升高，可焊性下降，含量超過0.29%時可引起焊點疏松Bi/鉍是焊料熔點下降，機械性能下降，含量超過0.5%時使焊料表面氧化變色Cd/鎘含量超過0.15%時，鋪展面積降低25%Zn/鋅使焊料流動性降低，機械性能下降，含量超過0.003%時焊料表面氧化，腐蝕嚴重雜質對焊料性能的影響Al/鋁作用同鋅一樣，含量超過0.005%時焊料氧化加劇Fe/鐵使焊料熔點升高，潤濕性下降As/砷含量超過0.2%，鋪展面積降低25%P/磷使焊料潤濕性下降，引起疏松S/硫使焊料潤濕性下降，引起疏松Ag/銀使焊料熔點升高1.2.雜質的表現(xiàn)特性或帶入途徑1.銻：在室溫下，銻(Sb)有6%-8%熔入焊錫。而加0.3%可增加焊錫濕潤的能力，但加入過多時其濕潤能力反面會降低。含量大時會使焊錫硬度變大，流動性下降含量超過1%時，舒展面積減少25%2.銅：幾乎不熔于錫與鉛的固態(tài)溶液中，但又有金屬化合物(Cu3Sn/Cu6Sn5)產(chǎn)生，在室溫下這種物質看的很清楚，其形狀成六角針尖型浮在焊錫表面上，當銅的含量增加時，焊錫工作溫度亦需要來克服含砂狀(grittiness)及緩慢濕潤。但溫度的升高，又加速銅的熔入，如此會造成焊錫溫度過高的問題，相反的當溫度降低于熔點5到10℃時，銅、錫的金屬化合物又開始出現(xiàn)，而且可以人工方式清除，這種方式可以除去大部份的鉛雜質，此時，含錫量會減少，因除去的是銅、錫的合金。上述方法無法除去含量低于0.7-0.8%的雜質，在電子工業(yè)中一般銅含量高于0.3-0.8%時，即應換掉，但何時該換，并沒有一個很嚴謹?shù)囊?guī)定，可依狀況及發(fā)現(xiàn)問題時再換錫。為了降低銅含量，應盡量將不要焊接的部分用防焊劑蓋住，同時盡量降低焊接溫度及時間，以降低銅的融入量，并應定時加入新錫，如此將有助于雜質含量維持在一特定程度下，不再增加。

3.鉍：在室溫下，有18%可融入鉛，1%可融入錫，實際來說，鉍應該不能算雜質，通常是刻意加入，而且可以增加濕潤程度。Bi可使焊錫熔點下降，機械性能下降，含量超過0.5%時，會使焊錫表面氧化變色。4.鎘：不會熔入錫或鉛的固態(tài)深液，當溫度升高時會產(chǎn)生金屬化合物。鎘常加在一起低溫特殊焊錫內，鎘在焊錫內會導致黏滯的效果，當溫度緩慢降時，可發(fā)現(xiàn)錫爐底部有鎘的沉淀物，這是因為鎘的可焊性好，鍍鎘的價格便宜，在工業(yè)界用的很多，一般來說如果為了得到焊錫性良好的表面，可用鎘，但不應用于有熔爐的自動焊錫爐。當Cd含量超過0.15%時，鋪展面積降低25%。5.鋅：少量的融入錫，但不熔于鉛的固態(tài)液中，不會產(chǎn)生金屬化合物，其影響焊錫的特性很大，會使焊錫流動性降低，機械性能下降；當其含量達到0.005%時，即會造成結合性差，顆粒狀固化時易脆；當其含量達到0.003%時，即會造成焊錫表面氧化，不耐腐蝕。因此少量的鋅，即會造成很大的問題。6.鋁：在焊錫作業(yè)溫度下之溶解量很小，少于0.5%，在室溫下幾乎無任何溶解，通常鋁會使焊錫在作業(yè)溫度之下較為黏滯，即使在0.001%的含量下也會降低焊錫黏著力，表面不平整，且亦受熱龜裂，當含量超過0.005%時，會導致焊錫氧化加劇。通常在電子工業(yè)中很少用到含鋁的金屬，因此不亦有此金屬污染，但應注意不要使用含鋁的固定支架。7.鐵：不熔于錫與鉛的固態(tài)溶液中，但溫度升高時有少量鐵會融入錫中，有二種金屬化合物(SeSn及FeSn2)產(chǎn)生，當鐵含量到達0.1%時，即會產(chǎn)生顆粒狀出現(xiàn)，鐵在焊錫作業(yè)溫度下并不會熔于焊錫中，因此大部分的錫爐以鐵為材質，而不會產(chǎn)生問題，只有在高溫427℃以上時才會開始融入焊錫，因此要特別注意爐心及加熱器，不要直接接觸焊錫。

8.砷：不會熔入錫或鉛固態(tài)溶液，但會產(chǎn)生二種金屬化合物(Sn3As2及SnAs),呈長針型結構。在電子產(chǎn)品裝配中應該不會有砷的成份加入焊錫，因此只要多加留意原料即可。含量超過0.2%時，舒展面積減少25%。9.硫：會影響濕潤的效果。實驗的報告中提到危險界限在7PPM(0.0007%)，真正好的錫，硫的含量不可超過2-3PPM。10.銀：不熔于錫與鉛的固態(tài)溶液中，有金屬化合物(Ag6Sn及Ag3Sn)的產(chǎn)生，除非銀含量到達一定的量，并不算是什么雜質污染，當超過限度時，會產(chǎn)生顆?；蚋泶裨诤更c表面。銀的來源通常是來自混成電路中，含銀金屬燒在陶瓷上或一些零件腳上，銀的成份會因此熔入焊錫中，當銀含量超過2%時，會在冷卻后分離出來，狀況與銅相同。11.鎂：與鋁的影響相同，在室溫下不熔于錫鉛，有金屬化合物(Mg2Sn及Mg2Pb)產(chǎn)生，在電子零件中幾乎無鎂的成份，因此通常不會造成問題。12.鎳：不熔于錫與鉛的固態(tài)溶液中，有金屬化合物(Ni3Sn、Ni3Sn2及Ni3Sn4)產(chǎn)生，這種雜質在焊錫中很少發(fā)生，也沒有任何不利的影響發(fā)生。

13.金：幾乎不熔錫與鉛的固態(tài)溶液中，但又有金屬化合物(Au2Pb、AuPb2)及(Au6Sn、AuSn、AuSn4)等產(chǎn)生，金融入焊錫的速度非?？?，在焊錫中會造成焊點灰暗及有浮渣的現(xiàn)象，在錫爐中當金的含量高達0.2%時，焊錫會變得黏滯而灰暗；因此，雖然金的可焊性非常好，但它所產(chǎn)生的問題也很大，使用時要特別小心注意。2.雜質對無鉛焊料的影響

2.1.無鉛合金液雜質含量界限維持無鉛波峰焊和選擇性波峰焊工藝錫槽成分非常重要，下表推薦的控制界限是當今電子工業(yè)界綜合了大量無鉛合金用戶最新的工藝經(jīng)驗的基礎上的研究成果。需要嚴密監(jiān)控的主要成分是Pb和Cu。推薦經(jīng)常性地進行錫槽合金分析以便對不正常情況盡早采取措施，以便早尋求控制方法，保證維持高的生產(chǎn)效率和工藝良品率。LC-02-08和低量銀SAC推薦控制界限（SAC0307）元素處置界限對焊料性能的影響SnBAL無處置界限Pb0.10RoHS指令2002/95/EC規(guī)定鉛的最大含量為0.1%。任何大于0.3%的鉛污染會有害于焊接點As0.03含量大于0.03%會造成不浸潤Cu0.50-1.00低銀SAC合金銅的最大含量為1.00%，應添加SAC0300合金來維持銅含量。高于1.0%的銅水平可導致錫橋。Bi0.08-0.20無鉛合金可以承受的Bi的含量為最高1.0%,然而，如果探測到Bi含量超過0.20%，表明有污染，應檢查可能的污染。Zn0.003含量超過0.003%可能導致嚴重的錫橋和拉尖問題。有面糊狀的錫渣形成，產(chǎn)生大量的氧化物。當鋅的含量過高時，錫渣會增加。Fe0.02鐵含量超過0.02%可能是錫爐被腐蝕的信號，并可能導致焊點表面粗糙，產(chǎn)生的FeSn化合物會導致錫橋。Ag0.25-0.504%的銀含量常用于一些SAC合金，然而如果SAC0307焊料中銀含量上升超過0.5，需要做相應調查并找出原因.不會影響可焊性.Sb0.20無鉛合金可以承受的銻含量最大為1.0%，然而如果檢測到含量超過0.20%，表明有污染，請檢查可能的污染。Ni0.05含量超過0.025%可能開始減低浸潤速度，影響到通孔填充性能。如果焊接性能正常，最大可以接受到0.05%Cd0.003RoHS指令2002/95/EC規(guī)定最大鎘含量為0.01%.含量超過0.003%可能導致錫橋和拉尖增加。Al0.005含量大于0.005%可能增加錫橋和拉尖，同時焊料表面會產(chǎn)生大量氧化，錫爐里會產(chǎn)生糊狀錫渣。Au0.1超過0.1%可能對焊點有影響LC-02-04和中等銀SAC推薦控制界限(SAC305)元素處置界限對焊料性能的影響SnBAL無處置界限Pb0.10RoHS指令2002/95/EC規(guī)定鉛的最大含量為0.1%。任何大于0.3%的鉛污染會有害于焊接點。As0.03含量大于0.03%會造成不浸潤。Cu0.30-1.00中量銀SAC合金銅的最大含量為1.00%，銅含量在1.00%以下可以正常焊接。然而對于細間距組裝，銅含量超過0.85%可能導致橋聯(lián)的增加。應添加SAC300合金來維持銅含量。Bi0.20無鉛合金可以承受的Bi的含量為最高1.0%,然而，如果探測到Bi含量超過0.20%，表明有污染進入，應檢查可能的污染。Zn0.003含量超過0.003%可能導致嚴重的錫橋和拉尖。有面糊狀的錫渣形成，產(chǎn)生大量的氧化物。當鋅的含量過高時，錫渣會增加。Fe0.02鐵含量超過0.02%可能是錫爐被腐蝕的信號，并可能導致焊點表面粗糙，產(chǎn)生的FeSn化合物會導致錫橋。Ag2.80-3.504%的銀含量常用于一些SAC合金，然而如果SAC305銀含量上升超過3.50%，需要做相應調查并找出原因.不會影響可焊性.Sb0.20無鉛合金可以承受的銻含量最大為1.0%，然而如果檢測到含量超過0.20%，表明有污染，請檢查可能的污染。Ni0.05含量超過0.03%可能開始減低浸潤速度，影響到通孔填充性能。如果焊接性能正常，最大可以接受到0.05%Cd0.003RoHS指令2002/95/EC規(guī)定最大鎘含量為0.01%.含量超過0.003%可能導致錫橋和拉尖增加。Al0.005含量大于0.005%可能增加錫橋和拉尖，同時焊料表面會產(chǎn)生大量氧化，錫爐里會產(chǎn)生糊狀錫渣。Au0.1超過0.1%可能對焊點有影響LC-01-05和SCNX系列推薦控制界限元素處置界限對焊料性能的影響SnBAL無處置界限Pb0.10RoHS指令2002/95/EC規(guī)定鉛的最大含量為0.1%。任何大于0.3%的鉛污染會有害于焊接點。As0.03含量大于0.03%會造成不浸潤。Cu0.50-0.85LC-01-05可以操作在0.80在含量。然而在高于0.85%界限時細距貼裝錫橋會增多。應添加低銅或無銅合金來保持銅水平。Bi0.05無鉛合金可以承受的Bi的含量為最高1.0%,然而，如果探測到Bi含量超過0.05%，應檢查可能的污染。Zn0.005含量超過0.005%可能導致嚴重的錫橋和拉尖。有面糊狀的錫渣形成，當鋅的含量過高時，錫渣會增加。Fe

0.03鐵含量超過0.02%可能是錫爐被腐蝕的信號，并可能導致焊點表面粗糙，從而導致錫橋。Ag0.054%的銀含量常用于一些SAC合金，然而如果銀含量上升超過容許的范圍，需要做相應調查并找出原因.不會影響可焊性.Sb0.1無鉛合金可以承受的銻含量最大為1.0%，然而如果檢測到含量超過0.10%，請檢查可能的污染。Ni0.01-0.10大多數(shù)正常的焊接中，鎳含量應保持在0.05-0.06%。含量超過0.1%可能開始減低浸潤速度，影響到通孔填充性能。Cd0.003RoHS指令2002/95/EC規(guī)定最大鎘含量為0.01%.含量超過0.003%可能導致錫橋和拉尖增加。Al0.005含量大于0.005%可能增加錫橋和拉尖，同時焊料表面會產(chǎn)生大量氧化，錫爐里會產(chǎn)生糊狀錫渣。2.2.銅含量對焊錫特性的影響

2.2.1.引言2.2.2.浸焊用Sn-0.7Cu合金錫條2.2.3.浸焊用Sn-Ag-Cu合金錫條2.2.4.銅離子增加對焊點的可信耐度影響2.2.5.銅離子超標預防及調整方案2.2.6.結論2.2.1.引言電感線圈和電子變壓器的生產(chǎn)領域，大多數(shù)工廠采用浸焊的方式實現(xiàn)線圈和PIN或基座的連接。浸焊采用的溫度往往高達400℃以上，如此高溫的作業(yè)過程中，不可避免的發(fā)生銅溶解進錫爐的情況，致使錫爐中Cu離子的含量逐步攀升，嚴重時可影響正常焊錫作業(yè)。那么我們需要的范圍是多少呢？在管控的過程中，又如何確定Cu離子的含量在我們需要的范圍之內呢？這是一個極易被行業(yè)生產(chǎn)管理者忽略的地方，直到目前，行業(yè)內還沒有形成定論。我司通過實際生產(chǎn)和不斷與客戶溝通，經(jīng)過公司的分析，總結出了一些經(jīng)驗，希望能夠給電子生產(chǎn)行業(yè)一個參考依據(jù)。2.2.2.浸焊用Sn-0.7Cu合金錫條上圖是Sn-Cu三相圖，從中可以看出：純Sn熔點是231.9681℃，純Cu熔點是1084.87℃，二者的合金熔點呈現(xiàn)偏態(tài)分布狀況，從右往左看，隨Cu離子含量的增加，熔點逐步升高，其中在0.7%-7%這一個區(qū)間呈近似的線性規(guī)律。固態(tài)相區(qū)和液態(tài)相區(qū)之間，是膏狀物狀態(tài)，固液并存，合金熔化但仍存在固態(tài)單質晶體。Cu離子含量在0.7%時，合金的共晶熔點是227℃，到達7%時，熔點升高到390℃，那么可以得出隨Cu離子含量增加熔點相應升高的近似規(guī)律，計算如下：（390-227）/（7-0.7）=26這說明，當Cu離子含量每增加1%時，合金熔點近似升高26℃；也就是說，當Cu離子含量每增加0.1%時，合金熔點近似升高2.6℃。銅含量對熔點的影響理論上講，DIP（雙列直插式）類電感變壓器元件PIN與線圈的焊接，采用400℃浸焊，Cu離子含量在5%以內都是可以執(zhí)行的，但是由于Cu離子在錫液中的分布往往是不均勻的，所以這樣的含量偶爾會造成焊錫效果的差異，諸如焊面發(fā)黃，表面呈粒子狀突起等外觀不良現(xiàn)象，已經(jīng)不是我們所需要的品質狀態(tài)。所以比較合理的管控范圍是2.5%以內。再結合客戶的使用狀況，無鉛波峰焊錫爐大多采用260-275℃進行焊錫作業(yè)，其焊錫的熔點一般不超過240℃，其中Cu離子含量被要求在1%以下，在波焊前，采用噴霧方式噴灑無鉛助焊劑，對焊接雙方進行有效潤濕，以確保焊錫效果。所以我們不必擔心因為元件引腳Cu離子含量高而引起焊接不良。那么對于SMD類的元件呢？SMD（表面貼裝）類元件必須結合元件本身結構和客戶的使用狀況。

客戶方面：無鉛回流焊大多采用245-260℃進行焊錫作業(yè)，大多采用Sn/3Ag/0.5Cu的錫膏，該錫膏的熔點只有217℃.錫膏本身含有8-11%的助焊劑成份，用以焊接過程中潤濕焊接物表面；產(chǎn)品本身結構方面，分兩種情況：1）焊錫點直接作為元件電極。例如，一些端子鍍銀的元件?？蛻羰褂?/p>

時，直接把浸焊的表面與PCBPAD連接。2）焊錫點僅僅作為COIL和BASE的連接。例如：一些帶有金屬或陶瓷BASE的元件。客戶使用時，是把元件的BASEPAD和PCBPAD連接。對于第1種情況，為保證回流焊錫效果，浸焊的錫爐必須定期進行檢測，錫合金熔點不要超過235℃，計算得出：平均Cu離子含量不能超過0.97%，我司推薦給行業(yè)內通用的標準：1%以下。對于第2種情況，焊接點并不直接跟PCB接觸的產(chǎn)品，我們可以采用2.5%以下的管控標準。2.2.3.浸焊用Sn-Ag-Cu合金錫條上圖是Sn-Ag-Cu系相圖，通過相圖可知SACX合金系熔化完全的溫度數(shù)據(jù)：SACX0.7Cu--228℃SACX1.0Cu--236℃SACX1.3Cu--258℃我們可供參考的地方是：DIP類和SMD第2類情況的元件仍然可以管控2.5%，SMD第1類情況的元件仍然管控1.0%。2.2.4.銅離子增加對焊點的可信耐度影響在高溫浸焊作業(yè)，Cu離子含量的增高對焊接點的信賴性并無影響，但Cu離子含量偏高時，會對可焊性有負面影響。我司給出的結論：1）我們對SACX系合金推薦的Cu離子含量的上限是1.0%；2）更高的Cu離子含量并不會對焊點的物理強度產(chǎn)生負面影響，但可能會影響生產(chǎn)能力。這就是我們區(qū)分對待波峰焊錫爐和浸焊錫爐中Cu離子含量的原因。2.2.5.銅離子超標預防及調整方案除了我們大家都知道的定期檢測和定期更新之外，其實還有一個比較可行的預防方案，就是每2-3天刮除錫爐表層的銅離子。方法如下：晚上下班后，把錫槽設定溫度降低到250℃左右，等錫液慢慢冷卻（注意不可以采用風扇或其它方式急劇冷卻），當錫面出現(xiàn)輕微膏狀時，用刮刀把表面2毫米左右厚的錫刮出來，丟進廢錫槽。刮除動作應執(zhí)行4次，往返各2次。至于調整方案，每個工廠可以請教自己的供應商，應使用哪種錫條來降低Cu離子含量，然后根據(jù)自己的檢測結果進行計算，得出需要加入的量即可。例如：若使用SACX0307錫條，推薦使用SA0300（Sn/0.3Ag）進行調整.你的錫爐熔錫量是8kg，檢測結果為Cu離子含量是1.4%，現(xiàn)在你希望調整到0.7%，則計算如下：8-（0.7*8/1.4）=4kg

就是說，取出4kg舊錫，再加入4kg的SA0300新錫即可把Cu離子含量降低到0.7%。2.2.6.結論

其實不僅僅是Cu，其它金屬或非金屬元素污染了錫爐，都會影響焊錫效果，作為生產(chǎn)管理者，應當注意觀察產(chǎn)品焊錫情況的變化，制定出對錫爐成份監(jiān)測和管理的辦法，確實去執(zhí)行，才能實現(xiàn)品質保證3.Cu雜質超標處理對策3.1.錫鉛焊料中銅超標處理.63/37焊料熔點低、流動性好、共晶焊料.銅含量增加或超標流動性降低、橋聯(lián)、泛白、毛糙。影響可靠性在電子工業(yè)界，有一個共識：

錫鉛焊料的銅（Cu）含量應該控制在0.15%以下，超過0.15%時，摻入新料稀釋銅。

當銅（Cu）的含量達到了0.3%時，予以更換和清爐，重新加入新料。對于一個400KG的錫爐來說，若采取稀釋處理，需要加入100KG以上的新料，否則達不到降銅（Cu）的效果。方法：錫爐中的銅（Cu）雜質一般以Cu6Sn5（見圖）的銅錫合金出現(xiàn)，是一種針狀體的化合物。Cu6Sn5合金的比重為8.28，而錫鉛合金（63/37）的比重為8.40左右（隨錫鉛合金的比例稍有差異）。因此，如果銅（Cu）超標較高，在加入新料稀釋銅的含量之前，我們首先可以采用焊料分層法來先降低銅（Cu）的含量。具體步驟：錫爐的物理除銅（降溫除銅）過程：

1、將波峰通道從錫爐中卸下。

2、將錫爐溫度設置成280~300℃，升溫，同時去除錫面浮渣。

3、當溫度達到設置溫度時，關閉加熱器電源，自然降溫。

4、自然降溫至195℃左右時，開始打撈銅錫合金結晶體。

5、低于190℃時，停止打撈（需要時，重復2、3、4項）。

注意事項：

1、280~300℃降至195℃的時間約1.5小時（因錫爐容量而異）。2、約220℃時，可觀察到錫面點、絮狀的晶核產(chǎn)生。隨溫度的進一步降低，晶核不斷聚集增大，逐步形成松針狀的CUSN結晶體。3、195~190℃的時間約20分鐘（因錫爐容量而異），打撈期間要快速有序。4、打撈時漏勺要逐片撈取，切勿攪拌（結晶體受震動極易解體）。5、打撈時漏勺提出錫面時要輕緩，要讓熔融焊料盡量返回爐內。6、CU6SN5結晶體性硬、易脆斷，小心扎手！補充說明：1、銅含量較低時不易采用次方法。2、錫爐銅含量達0.25WT%時，凝固后的潔凈錫面就可以觀察到CU6SN5的結晶體（位置一般靠近結構件）。3.2無鉛焊料SAC銅超標處理關于無鉛波峰焊爐的用錫就目前來講，一般采用Sn-Cu