金属杂质对焊料的影响讨论

苏州市力创焊锡制造有限公司金属杂质对焊料的影响讲师：范晶波职称：工程师、研发副理制作：工程技术部/E-mail:licfan@163.com金属杂质对焊料的影响1.杂质对锡铅焊料的影响

1.1.锡铅焊料中存在的杂质1.2.杂质的表现特性或带入途径2.杂质对无铅焊料的影响

2.1.无铅合金液杂质含量界限2.2.铜含量对焊锡特性的影响3.Cu杂质超标处理对策

3.1锡铅焊料中铜超标处理3.2无铅焊料SAC铜超标处理

1.杂质对锡铅焊料的影响1.1.锡铅合金中存在的杂质：杂质对焊料性能的影响Sb/锑含量大时，焊料硬度增大，流动性下降，含量超过1%时铺展面积减少25%Cu/铜是焊料熔点升高，可焊性下降，含量超过0.29%时可引起焊点疏松Bi/铋是焊料熔点下降，机械性能下降，含量超过0.5%时使焊料表面氧化变色Cd/镉含量超过0.15%时，铺展面积降低25%Zn/锌使焊料流动性降低，机械性能下降，含量超过0.003%时焊料表面氧化，腐蚀严重杂质对焊料性能的影响Al/铝作用同锌一样，含量超过0.005%时焊料氧化加剧Fe/铁使焊料熔点升高，润湿性下降As/砷含量超过0.2%，铺展面积降低25%P/磷使焊料润湿性下降，引起疏松S/硫使焊料润湿性下降，引起疏松Ag/银使焊料熔点升高1.2.杂质的表现特性或带入途径1.锑：在室温下，锑(Sb)有6%-8%熔入焊锡。而加0.3%可增加焊锡湿润的能力，但加入过多时其湿润能力反面会降低。含量大时会使焊锡硬度变大，流动性下降含量超过1%时，舒展面积减少25%2.铜：几乎不熔于锡与铅的固态溶液中，但又有金属化合物(Cu3Sn/Cu6Sn5)产生，在室温下这种物质看的很清楚，其形状成六角针尖型浮在焊锡表面上，当铜的含量增加时，焊锡工作温度亦需要来克服含砂状(grittiness)及缓慢湿润。但温度的升高，又加速铜的熔入，如此会造成焊锡温度过高的问题，相反的当温度降低于熔点5到10℃时，铜、锡的金属化合物又开始出现，而且可以人工方式清除，这种方式可以除去大部份的铅杂质，此时，含锡量会减少，因除去的是铜、锡的合金。上述方法无法除去含量低于0.7-0.8%的杂质，在电子工业中一般铜含量高于0.3-0.8%时，即应换掉，但何时该换，并没有一个很严谨的规定，可依状况及发现问题时再换锡。为了降低铜含量，应尽量将不要焊接的部分用防焊剂盖住，同时尽量降低焊接温度及时间，以降低铜的融入量，并应定时加入新锡，如此将有助于杂质含量维持在一特定程度下，不再增加。

3.铋：在室温下，有18%可融入铅，1%可融入锡，实际来说，铋应该不能算杂质，通常是刻意加入，而且可以增加湿润程度。Bi可使焊锡熔点下降，机械性能下降，含量超过0.5%时，会使焊锡表面氧化变色。4.镉：不会熔入锡或铅的固态深液，当温度升高时会产生金属化合物。镉常加在一起低温特殊焊锡内，镉在焊锡内会导致黏滞的效果，当温度缓慢降时，可发现锡炉底部有镉的沉淀物，这是因为镉的可焊性好，镀镉的价格便宜，在工业界用的很多，一般来说如果为了得到焊锡性良好的表面，可用镉，但不应用于有熔炉的自动焊锡炉。当Cd含量超过0.15%时，铺展面积降低25%。5.锌：少量的融入锡，但不熔于铅的固态液中，不会产生金属化合物，其影响焊锡的特性很大，会使焊锡流动性降低，机械性能下降；当其含量达到0.005%时，即会造成结合性差，颗粒状固化时易脆；当其含量达到0.003%时，即会造成焊锡表面氧化，不耐腐蚀。因此少量的锌，即会造成很大的问题。6.铝：在焊锡作业温度下之溶解量很小，少于0.5%，在室温下几乎无任何溶解，通常铝会使焊锡在作业温度之下较为黏滞，即使在0.001%的含量下也会降低焊锡黏着力，表面不平整，且亦受热龟裂，当含量超过0.005%时，会导致焊锡氧化加剧。通常在电子工业中很少用到含铝的金属，因此不亦有此金属污染，但应注意不要使用含铝的固定支架。7.铁：不熔于锡与铅的固态溶液中，但温度升高时有少量铁会融入锡中，有二种金属化合物(SeSn及FeSn2)产生，当铁含量到达0.1%时，即会产生颗粒状出现，铁在焊锡作业温度下并不会熔于焊锡中，因此大部分的锡炉以铁为材质，而不会产生问题，只有在高温427℃以上时才会开始融入焊锡，因此要特别注意炉心及加热器，不要直接接触焊锡。

8.砷：不会熔入锡或铅固态溶液，但会产生二种金属化合物(Sn3As2及SnAs),呈长针型结构。在电子产品装配中应该不会有砷的成份加入焊锡，因此只要多加留意原料即可。含量超过0.2%时，舒展面积减少25%。9.硫：会影响湿润的效果。实验的报告中提到危险界限在7PPM(0.0007%)，真正好的锡，硫的含量不可超过2-3PPM。10.银：不熔于锡与铅的固态溶液中，有金属化合物(Ag6Sn及Ag3Sn)的产生，除非银含量到达一定的量，并不算是什么杂质污染，当超过限度时，会产生颗粒或疙瘩在焊点表面。银的来源通常是来自混成电路中，含银金属烧在陶瓷上或一些零件脚上，银的成份会因此熔入焊锡中，当银含量超过2%时，会在冷却后分离出来，状况与铜相同。11.镁：与铝的影响相同，在室温下不熔于锡铅，有金属化合物(Mg2Sn及Mg2Pb)产生，在电子零件中几乎无镁的成份，因此通常不会造成问题。12.镍：不熔于锡与铅的固态溶液中，有金属化合物(Ni3Sn、Ni3Sn2及Ni3Sn4)产生，这种杂质在焊锡中很少发生，也没有任何不利的影响发生。

13.金：几乎不熔锡与铅的固态溶液中，但又有金属化合物(Au2Pb、AuPb2)及(Au6Sn、AuSn、AuSn4)等产生，金融入焊锡的速度非常快，在焊锡中会造成焊点灰暗及有浮渣的现象，在锡炉中当金的含量高达0.2%时，焊锡会变得黏滞而灰暗；因此，虽然金的可焊性非常好，但它所产生的问题也很大，使用时要特别小心注意。2.杂质对无铅焊料的影响

2.1.无铅合金液杂质含量界限维持无铅波峰焊和选择性波峰焊工艺锡槽成分非常重要，下表推荐的控制界限是当今电子工业界综合了大量无铅合金用户最新的工艺经验的基础上的研究成果。需要严密监控的主要成分是Pb和Cu。推荐经常性地进行锡槽合金分析以便对不正常情况尽早采取措施，以便早寻求控制方法，保证维持高的生产效率和工艺良品率。LC-02-08和低量银SAC推荐控制界限（SAC0307）元素处置界限对焊料性能的影响SnBAL无处置界限Pb0.10RoHS指令2002/95/EC规定铅的最大含量为0.1%。任何大于0.3%的铅污染会有害于焊接点As0.03含量大于0.03%会造成不浸润Cu0.50-1.00低银SAC合金铜的最大含量为1.00%，应添加SAC0300合金来维持铜含量。高于1.0%的铜水平可导致锡桥。Bi0.08-0.20无铅合金可以承受的Bi的含量为最高1.0%,然而，如果探测到Bi含量超过0.20%，表明有污染，应检查可能的污染。Zn0.003含量超过0.003%可能导致严重的锡桥和拉尖问题。有面糊状的锡渣形成，产生大量的氧化物。当锌的含量过高时，锡渣会增加。Fe0.02铁含量超过0.02%可能是锡炉被腐蚀的信号，并可能导致焊点表面粗糙，产生的FeSn化合物会导致锡桥。Ag0.25-0.504%的银含量常用于一些SAC合金，然而如果SAC0307焊料中银含量上升超过0.5，需要做相应调查并找出原因.不会影响可焊性.Sb0.20无铅合金可以承受的锑含量最大为1.0%，然而如果检测到含量超过0.20%，表明有污染，请检查可能的污染。Ni0.05含量超过0.025%可能开始减低浸润速度，影响到通孔填充性能。如果焊接性能正常，最大可以接受到0.05%Cd0.003RoHS指令2002/95/EC规定最大镉含量为0.01%.含量超过0.003%可能导致锡桥和拉尖增加。Al0.005含量大于0.005%可能增加锡桥和拉尖，同时焊料表面会产生大量氧化，锡炉里会产生糊状锡渣。Au0.1超过0.1%可能对焊点有影响LC-02-04和中等银SAC推荐控制界限(SAC305)元素处置界限对焊料性能的影响SnBAL无处置界限Pb0.10RoHS指令2002/95/EC规定铅的最大含量为0.1%。任何大于0.3%的铅污染会有害于焊接点。As0.03含量大于0.03%会造成不浸润。Cu0.30-1.00中量银SAC合金铜的最大含量为1.00%，铜含量在1.00%以下可以正常焊接。然而对于细间距组装，铜含量超过0.85%可能导致桥联的增加。应添加SAC300合金来维持铜含量。Bi0.20无铅合金可以承受的Bi的含量为最高1.0%,然而，如果探测到Bi含量超过0.20%，表明有污染进入，应检查可能的污染。Zn0.003含量超过0.003%可能导致严重的锡桥和拉尖。有面糊状的锡渣形成，产生大量的氧化物。当锌的含量过高时，锡渣会增加。Fe0.02铁含量超过0.02%可能是锡炉被腐蚀的信号，并可能导致焊点表面粗糙，产生的FeSn化合物会导致锡桥。Ag2.80-3.504%的银含量常用于一些SAC合金，然而如果SAC305银含量上升超过3.50%，需要做相应调查并找出原因.不会影响可焊性.Sb0.20无铅合金可以承受的锑含量最大为1.0%，然而如果检测到含量超过0.20%，表明有污染，请检查可能的污染。Ni0.05含量超过0.03%可能开始减低浸润速度，影响到通孔填充性能。如果焊接性能正常，最大可以接受到0.05%Cd0.003RoHS指令2002/95/EC规定最大镉含量为0.01%.含量超过0.003%可能导致锡桥和拉尖增加。Al0.005含量大于0.005%可能增加锡桥和拉尖，同时焊料表面会产生大量氧化，锡炉里会产生糊状锡渣。Au0.1超过0.1%可能对焊点有影响LC-01-05和SCNX系列推荐控制界限元素处置界限对焊料性能的影响SnBAL无处置界限Pb0.10RoHS指令2002/95/EC规定铅的最大含量为0.1%。任何大于0.3%的铅污染会有害于焊接点。As0.03含量大于0.03%会造成不浸润。Cu0.50-0.85LC-01-05可以操作在0.80在含量。然而在高于0.85%界限时细距贴装锡桥会增多。应添加低铜或无铜合金来保持铜水平。Bi0.05无铅合金可以承受的Bi的含量为最高1.0%,然而，如果探测到Bi含量超过0.05%，应检查可能的污染。Zn0.005含量超过0.005%可能导致严重的锡桥和拉尖。有面糊状的锡渣形成，当锌的含量过高时，锡渣会增加。Fe

0.03铁含量超过0.02%可能是锡炉被腐蚀的信号，并可能导致焊点表面粗糙，从而导致锡桥。Ag0.054%的银含量常用于一些SAC合金，然而如果银含量上升超过容许的范围，需要做相应调查并找出原因.不会影响可焊性.Sb0.1无铅合金可以承受的锑含量最大为1.0%，然而如果检测到含量超过0.10%，请检查可能的污染。Ni0.01-0.10大多数正常的焊接中，镍含量应保持在0.05-0.06%。含量超过0.1%可能开始减低浸润速度，影响到通孔填充性能。Cd0.003RoHS指令2002/95/EC规定最大镉含量为0.01%.含量超过0.003%可能导致锡桥和拉尖增加。Al0.005含量大于0.005%可能增加锡桥和拉尖，同时焊料表面会产生大量氧化，锡炉里会产生糊状锡渣。2.2.铜含量对焊锡特性的影响

2.2.1.引言2.2.2.浸焊用Sn-0.7Cu合金锡条2.2.3.浸焊用Sn-Ag-Cu合金锡条2.2.4.铜离子增加对焊点的可信耐度影响2.2.5.铜离子超标预防及调整方案2.2.6.结论2.2.1.引言电感线圈和电子变压器的生产领域，大多数工厂采用浸焊的方式实现线圈和PIN或基座的连接。浸焊采用的温度往往高达400℃以上，如此高温的作业过程中，不可避免的发生铜溶解进锡炉的情况，致使锡炉中Cu离子的含量逐步攀升，严重时可影响正常焊锡作业。那么我们需要的范围是多少呢？在管控的过程中，又如何确定Cu离子的含量在我们需要的范围之内呢？这是一个极易被行业生产管理者忽略的地方，直到目前，行业内还没有形成定论。我司通过实际生产和不断与客户沟通，经过公司的分析，总结出了一些经验，希望能够给电子生产行业一个参考依据。2.2.2.浸焊用Sn-0.7Cu合金锡条上图是Sn-Cu三相图，从中可以看出：纯Sn熔点是231.9681℃，纯Cu熔点是1084.87℃，二者的合金熔点呈现偏态分布状况，从右往左看，随Cu离子含量的增加，熔点逐步升高，其中在0.7%-7%这一个区间呈近似的线性规律。固态相区和液态相区之间，是膏状物状态，固液并存，合金熔化但仍存在固态单质晶体。Cu离子含量在0.7%时，合金的共晶熔点是227℃，到达7%时，熔点升高到390℃，那么可以得出随Cu离子含量增加熔点相应升高的近似规律，计算如下：（390-227）/（7-0.7）=26这说明，当Cu离子含量每增加1%时，合金熔点近似升高26℃；也就是说，当Cu离子含量每增加0.1%时，合金熔点近似升高2.6℃。铜含量对熔点的影响理论上讲，DIP（双列直插式）类电感变压器元件PIN与线圈的焊接，采用400℃浸焊，Cu离子含量在5%以内都是可以执行的，但是由于Cu离子在锡液中的分布往往是不均匀的，所以这样的含量偶尔会造成焊锡效果的差异，诸如焊面发黄，表面呈粒子状突起等外观不良现象，已经不是我们所需要的品质状态。所以比较合理的管控范围是2.5%以内。再结合客户的使用状况，无铅波峰焊锡炉大多采用260-275℃进行焊锡作业，其焊锡的熔点一般不超过240℃，其中Cu离子含量被要求在1%以下，在波焊前，采用喷雾方式喷洒无铅助焊剂，对焊接双方进行有效润湿，以确保焊锡效果。所以我们不必担心因为元件引脚Cu离子含量高而引起焊接不良。那么对于SMD类的元件呢？SMD（表面贴装）类元件必须结合元件本身结构和客户的使用状况。

客户方面：无铅回流焊大多采用245-260℃进行焊锡作业，大多采用Sn/3Ag/0.5Cu的锡膏，该锡膏的熔点只有217℃.锡膏本身含有8-11%的助焊剂成份，用以焊接过程中润湿焊接物表面；产品本身结构方面，分两种情况：1）焊锡点直接作为元件电极。例如，一些端子镀银的元件。客户使用

时，直接把浸焊的表面与PCBPAD连接。2）焊锡点仅仅作为COIL和BASE的连接。例如：一些带有金属或陶瓷BASE的元件。客户使用时，是把元件的BASEPAD和PCBPAD连接。对于第1种情况，为保证回流焊锡效果，浸焊的锡炉必须定期进行检测，锡合金熔点不要超过235℃，计算得出：平均Cu离子含量不能超过0.97%，我司推荐给行业内通用的标准：1%以下。对于第2种情况，焊接点并不直接跟PCB接触的产品，我们可以采用2.5%以下的管控标准。2.2.3.浸焊用Sn-Ag-Cu合金锡条上图是Sn-Ag-Cu系相图，通过相图可知SACX合金系熔化完全的温度数据：SACX0.7Cu--228℃SACX1.0Cu--236℃SACX1.3Cu--258℃我们可供参考的地方是：DIP类和SMD第2类情况的元件仍然可以管控2.5%，SMD第1类情况的元件仍然管控1.0%。2.2.4.铜离子增加对焊点的可信耐度影响在高温浸焊作业，Cu离子含量的增高对焊接点的信赖性并无影响，但Cu离子含量偏高时，会对可焊性有负面影响。我司给出的结论：1）我们对SACX系合金推荐的Cu离子含量的上限是1.0%；2）更高的Cu离子含量并不会对焊点的物理强度产生负面影响，但可能会影响生产能力。这就是我们区分对待波峰焊锡炉和浸焊锡炉中Cu离子含量的原因。2.2.5.铜离子超标预防及调整方案除了我们大家都知道的定期检测和定期更新之外，其实还有一个比较可行的预防方案，就是每2-3天刮除锡炉表层的铜离子。方法如下：晚上下班后，把锡槽设定温度降低到250℃左右，等锡液慢慢冷却（注意不可以采用风扇或其它方式急剧冷却），当锡面出现轻微膏状时，用刮刀把表面2毫米左右厚的锡刮出来，丢进废锡槽。刮除动作应执行4次，往返各2次。至于调整方案，每个工厂可以请教自己的供应商，应使用哪种锡条来降低Cu离子含量，然后根据自己的检测结果进行计算，得出需要加入的量即可。例如：若使用SACX0307锡条，推荐使用SA0300（Sn/0.3Ag）进行调整.你的锡炉熔锡量是8kg，检测结果为Cu离子含量是1.4%，现在你希望调整到0.7%，则计算如下：8-（0.7*8/1.4）=4kg

就是说，取出4kg旧锡，再加入4kg的SA0300新锡即可把Cu离子含量降低到0.7%。2.2.6.结论

其实不仅仅是Cu，其它金属或非金属元素污染了锡炉，都会影响焊锡效果，作为生产管理者，应当注意观察产品焊锡情况的变化，制定出对锡炉成份监测和管理的办法，确实去执行，才能实现品质保证3.Cu杂质超标处理对策3.1.锡铅焊料中铜超标处理.63/37焊料熔点低、流动性好、共晶焊料.铜含量增加或超标流动性降低、桥联、泛白、毛糙。影响可靠性在电子工业界，有一个共识：

锡铅焊料的铜（Cu）含量应该控制在0.15%以下，超过0.15%时，掺入新料稀释铜。

当铜（Cu）的含量达到了0.3%时，予以更换和清炉，重新加入新料。对于一个400KG的锡炉来说，若采取稀释处理，需要加入100KG以上的新料，否则达不到降铜（Cu）的效果。方法：锡炉中的铜（Cu）杂质一般以Cu6Sn5（见图）的铜锡合金出现，是一种针状体的化合物。Cu6Sn5合金的比重为8.28，而锡铅合金（63/37）的比重为8.40左右（随锡铅合金的比例稍有差异）。因此，如果铜（Cu）超标较高，在加入新料稀释铜的含量之前，我们首先可以采用焊料分层法来先降低铜（Cu）的含量。具体步骤：锡炉的物理除铜（降温除铜）过程：

1、将波峰通道从锡炉中卸下。

2、将锡炉温度设置成280~300℃，升温，同时去除锡面浮渣。

3、当温度达到设置温度时，关闭加热器电源，自然降温。

4、自然降温至195℃左右时，开始打捞铜锡合金结晶体。

5、低于190℃时，停止打捞（需要时，重复2、3、4项）。

注意事项：

1、280~300℃降至195℃的时间约1.5小时（因锡炉容量而异）。2、约220℃时，可观察到锡面点、絮状的晶核产生。随温度的进一步降低，晶核不断聚集增大，逐步形成松针状的CUSN结晶体。3、195~190℃的时间约20分钟（因锡炉容量而异），打捞期间要快速有序。4、打捞时漏勺要逐片捞取，切勿搅拌（结晶体受震动极易解体）。5、打捞时漏勺提出锡面时要轻缓，要让熔融焊料尽量返回炉内。6、CU6SN5结晶体性硬、易脆断，小心扎手！补充说明：1、铜含量较低时不易采用次方法。2、锡炉铜含量达0.25WT%时，凝固后的洁净锡面就可以观察到CU6SN5的结晶体（位置一般靠近结构件）。3.2无铅焊料SAC铜超标处理关于无铅波峰焊炉的用锡就目前来讲，一般采用Sn-Cu