焊錫(solder) – 無鉛手焊問與答
(以下圖文內容皆取材自 Kester 的技術文章,作者 Mr. Peter Biocca)
哪一種合金與助焊劑適合手焊作業?
無鉛焊錫最大的問題在於錫絲型態 (wire form) 的穩定性。一些合金不容易做成錫絲狀態,像錫鉍合金焊錫就是。
現在錫絲狀態最受歡迎的合金,是錫-銀-銅 (tin-siliver-copper,SAC) 與錫銅 (tin-copper,SnCu) 基材的焊錫。這要歸功於工業界,其中 68% 的 SMT 業者和 50% 波焊業者選擇了錫-銀-銅 (SAC) 焊錫。另外,20% 的波焊業者基於成本考量選用了錫銅 (SnCu) 基材焊錫。這兩種合金錫絲自然而然的也就很適合手焊作業了。
SAC 與 SnCu 焊錫兩者間最主要的差異在於熔點不同;其融化溫度分別在大約 217℃ 與 227℃ 。從焊接操作的執行效益看,SAC 焊錫較 SnCu 焊錫容易熔融溼潤,流動性較佳,其他各方面表現自然也比較好。
SAC 與 SnCu 兩種合金都可以適用於 no-clean、可水洗、與松香基礎的助焊劑配方中。在北美的錫絲市場,no-clean 佔超過 85% 比例,可水洗的少於 15%,松香基礎的更少低於 5%。其他市場的錫絲型態焊錫,仍以 no-clean 居多。
?選擇好的無鉛焊錫 (wire),主要的變數是什麼?
到目前為止錫絲中的助焊劑成份,是影響融濕能力的關鍵因素。在相同條件下的平衡測試中,無鉛焊錫如 SAC、SnCu 以及較高溫選擇的 SnSb (銻),融濕能力都較 63/37 (錫鉛)來得慢一點。
無鉛焊錫 (wire) 至少需含有重量 2% 助焊劑。含鉛焊錫則只要 1% 就夠了,這麼低含量的助焊劑在無鉛焊錫是行不通的。
典型的錫絲助焊劑分佈,密度約為 1g/cc,因此以橫切面來看,是相當明顯的。通常是重量的 2 或 3%,助焊劑不足,會讓焊接變得困難。
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如果融濕進展緩慢,可能會試到 3% 助焊劑的錫絲。但這往往導致更多的殘留物,在 no-clean 的應用中外觀很不討好。以擠壓瓶使用額外助焊劑,在 no-clean 是不被接受的,因為會有過度使用的疑慮。
另外很重要的是,要確認助焊劑是為無鉛應用設計的。因此,它應該能承受較高的烙鐵頭溫度,而不會被燒焦、噴濺、分解。有些助焊劑遇到烙鐵頭高溫會冒很多煙。
當選用錫絲時注意助焊劑的 IPC分類。許多 no-cleans 符合 ROL0,意味著它是松香基礎、低活性、無鹵化物殘留的,且是通過IPC規格SIR與防腐蝕測試的最穩定品質的產品。為了補償降低的融濕能力,無鉛焊錫有使用高活性助焊劑的趨勢,這不是個好主意。
可水洗式的助焊劑,活性高,被分類在 ORH1,而且在無鉛焊接工作優異。然而要注意確認,殘留物可以完全被熱水沖洗掉,並建議做離子化污染測試。如果洗完之後,仍有離子污染被測出來,勢必得更換助焊劑或其他環節了。
在以相同助焊劑的平衡測試結果,SAC比 SnCu更快達到最大融濕能力,同樣的結果也出現在與 SnCu 摻雜其他金屬的測試中。
被焊元件的整體可焊性,是選擇合金時的重要考量。如果元件已經呈現老化、氧化,SAC 焊錫手焊作業會是不錯的選擇。
?無鉛 SAC 與 SnCu 的最佳焊接接觸溫度為何?
要讓無鉛手焊操作變得容易,接觸溫度是很重要的。使用 63/37 時,華氏 650 度 (343.3℃) 就可,但是無鉛的最佳溫度則為華式 700~800 度 (371~ 426℃ )。較高的溫度,為無鉛使用時發生較低融濕能力現象做了補償。
超過華氏 800度 ( 426℃ ),元件可能燒壞或受損;溫度太低,冷焊、萎縮現象普遍發生。
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高溫、長時間接觸被焊元件,會增加金屬間化合程度,讓化合層厚度增加。所以盡量避免拖長接觸時間,以及重複焊接動作。上圖顯示化合層厚度增加,會導致發生脆裂的風險。持續高溫也會讓融濕能力喪失。
?使用無鉛焊錫的烙鐵頭呢?
無鉛烙鐵頭是需要的,不過烙鐵頭形狀的選擇同樣重要。無鉛的誤差容許度小,正確的烙鐵頭可以避免失誤。選一個能夠傳遞足夠熱容量的頭,尖圓形的頭無法應付每一種場合,有時後會需要一個像鑿子形狀的頭,才能傳遞足夠的熱容量到被焊元件上。下圖是正確選擇頭型的參考範例。


 

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