波峰焊用无铅合金的温度选择

前  言

    长期以来，润湿平衡试验作为评价焊料润湿性能的1种有效的实验室的方法，3种材料需要进行润湿平衡试验，即基材、助焊剂和焊料。基材可以是印制板表面的金属区域，可以是电子元件的引线或端子。润湿平衡试验用于评估金属表面的可焊性。试验程序在IPC?J?002和IPC?J?003中详述。润湿平衡试验也被用于评价助焊剂润湿效果的筛选工具。

    近年来，润湿平衡试验被用于评价各种合金焊料的润湿性，特别是无铅合金焊料的润湿性。润湿平衡试验方法是全面研究无铅焊料再流焊和波峰焊的一部分，润湿平衡试验的目的是评价材料的适应性、可焊性及焊接质量。研究的内容包括合金、助焊剂、焊膏的主要配比、插件板的外观、表面安装、通孔元件（through?holecomponents）及专门设计的试验板。本文选择润湿平衡试验仪测定在波峰焊金相研究中所用各种无铅合金焊料适应的温度。

润湿平衡试验方法

    1 合金焊料

    评价以下5种无铅合金焊料，包括锡－银和银－铜的2元合金焊料、锡－银－铜3元合金焊料、锡－银－铜－铋和锡－银－铜－锑的4元合金焊料，也包括共熔锡－铅焊料。所评定的特种合金及其熔化温度范围见表1。

表1    合金焊料和熔化温度范围

合金 熔化温度范围 锡63/铅37 183℃ 锡99.3/铜0.7 227℃ 锡96.5/银3.5 221℃ 锡95.5/银4/铜0.5 217℃～218℃ 锡96/银2.5/铋1/铜0.5 214℃～218℃ 锡96.2银2.5/锑0.5/铜0.8 210℃～216℃

　

    2 试验准备

    基材的润湿平衡试验用25.4mm×12.7mm×0.13mm的铜附连测试板。附连测试板应符合ISO1634CU?ETP中的HA条件。附连测试板应按下列步骤进行预清洗：

    在沸腾的异丙醇中去油；

    用铜的表面处理剂去氧化；

    用去离子水清洗；

    最后用异丙醇清洗。

    润湿平衡试验应在新清洁过的，并经100℃氧化1小时的附连测试板上进行。

    3 润湿平衡试验

    用润湿试验仪进行焊料的润湿试验，试验仪的焊料槽应顺次分别填充所测试的每一种合金。将附连测试板浸入低固化点非清洗（no?clean）助焊剂中，深度达2.54mm，然后将附连测试板在焊料槽上方2.54mm处预热5min，接着将附连测试板浸入焊料2.54mm处5s，浸入和移出速度为25.4mm/s。无论氧化的铜附连测试板还是未氧化的铜附连测试板都使用助焊剂，在焊料温度范围内进行试验，每种焊料合金，焊料温度和附连测试板的表面状况用15块附连测试板。

试验结果

    每个润湿试验记录2个测量结果，即润湿时间和润湿力。从该研究中获得的润湿平衡测试结果示于图1至图4，图中每个点代表15块附连测试板测量数据的平均值。

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图1 使用助焊剂时每种合金焊料与未氧化铜的润湿时间

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图2 使用助焊剂时每种合金焊料与未氧化铜的润湿力

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图3 使用助焊剂时每种合金焊料与氧化铜的润湿时间

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图4 使用助焊剂时每种合金焊料与氧化铜的润湿力

    图中： 1表示锡63/铅37合金

           2表示锡95.5/银4/铜0.5合金

           3表示锡99.3/铜0.7合金

           4表示锡96.5/银3.5合金

           5表示锡96/银2.5/铋1/铜0.5合金

           6表示锡96.2/银2.5/锑0.5/铜0.8合金

    图1和图2表示使用未氧化的铜时，每种测试合金和助焊剂的润湿时间和润湿力的结果。图3和图4表示使用氧化的铜时，每种测试合金和助焊剂的润湿时间和润湿力的结果。

    试验结果表明：（1）当使用低固化点、非清洗（no?clear）松香型助焊剂时，271℃出现近视无铅合金焊料的温度。使用未氧化的铜和低固化点助焊剂时，随着无铅合金温度达到271℃，润湿时间缩短，然后润湿达到平衡或随着温度的升高润湿力稍有增加。同样，达到271℃时，润湿力增加，然后达到平衡或随温度上升润湿力略有减小。（2）锡－银2元合金和锡－银－铜三元合金的润湿时间比4元合金和锡铅合金更快，润湿能力更强；（3）锡－铜合金达到完全润湿要求的最低温度为260℃；（4）4元合金达到完全润湿要求的最低温度为249℃；（5）锡－银和锡－银－铜合金达到完全润湿的最低试验温度为232℃；⑥锡－铅合金达到完全润湿的最低试验温度与锡－银和锡－银－铜合金同样。用氧化的铜和低固化点的助焊剂时，不同合金的结果很接近。用氧化的铜基材，焊料温度为271℃通常可得到比在较低温度更好的效果。然而，有些合金在最高试验温度277℃具有较好边缘效果。使用未氧化的铜时，锡－银2元合金和锡－银－铜3元合金的润湿时间要比使用氧化的铜润湿时间稍快、润湿力稍强，该趋势正好与四元合金和锡－铅合金相反，即用氧化的铜比用未氧化的铜得到的润湿效果更好。

结  论

    润湿平衡试验结果表明，当使用低固化点非清洗松香型助焊剂评定无铅合金焊料温度时，271℃接近无铅合金焊料的温度，锡－银合金、锡－铜合金和锡－银－铜合金一般润湿时间短，润湿力强；每种无铅合金焊料的适应性及焊料温度必须在双面金属化孔板和表面安装电子元器件印制板的实际波峰焊工艺中进行验证。