จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรี: คู่มืออุณหภูมิของโลหะผสม

จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรีขึ้นอยู่กับส่วนผสมของโลหะอย่างสิ้นเชิง ตะกั่วบัดกรีแบบยูเทคติกดีบุก-ตะกั่ว (Sn63/Pb37) มีจุดหลอมเหลวเพียงจุดเดียวที่183 °C (361 °F)ในขณะที่โลหะผสมไร้ตะกั่วที่ใช้กันทั่วไปอย่าง SAC305 มีจุดหลอมเหลวในช่วงประมาณ217–220 °C (423–428 °F)สำหรับโลหะผสมบัดกรีทั้งหมด จุดหลอมเหลวจะแตกต่างกันไป ตั้งแต่ประมาณ 138 °C สำหรับดีบุก-บิสมัทอุณหภูมิต่ำ ไปจนถึง 300 °C และสูงกว่านั้นสำหรับตะกั่วบัดกรีที่มีตะกั่วสูง คู่มือนี้จะให้ตัวเลขที่แน่นอนสำหรับโลหะผสมแต่ละชนิด อธิบายความแตกต่างระหว่างจุดหลอมเหลวและช่วงจุดหลอมเหลว และแสดงให้เห็นว่าเหตุใดอุณหภูมิเพียงไม่กี่องศาจึงเป็นตัวตัดสินว่ารอยต่อบนแผงวงจรพิมพ์นั้นแข็งแรงหรือมีข้อบกพร่อง

จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรีคือเท่าไร?

จุดหลอมเหลวคืออุณหภูมิที่โลหะผสมบัดกรีเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวเพื่อให้สามารถเกาะติดกับพื้นผิวโลหะและเกิดเป็นรอยต่อได้ ความซับซ้อนอยู่ที่ว่ามีเพียง โลหะผสม ยูเทคติก เท่านั้น ที่มีจุดหลอมเหลวเพียงจุดเดียว โลหะผสมยูเทคติก—เช่น Sn63/Pb37—จะหลอมเหลวและแข็งตัวที่อุณหภูมิเดียวอย่างแน่นอน โดยไม่มีสถานะกึ่งแข็งกึ่งเหลวอยู่ระหว่างกลาง การเปลี่ยนแปลงที่ฉับพลันนี้เองที่เป็นเหตุผลว่าทำไมบัดกรีแบบยูเทคติกจึงให้รอยต่อที่สะอาดและใช้งานง่าย

โลหะผสมที่ไม่เกิดจุดยูเทคติกส่วนใหญ่จะหลอมเหลวในช่วงอุณหภูมิที่อยู่ระหว่างสองค่านี้:

• โซลิดัส — อุณหภูมิที่โลหะผสม เริ่มต้น เพื่อละลาย ต่ำกว่านี้จะอยู่ในสถานะของแข็งโดยสมบูรณ์
• ลิควิดัส — อุณหภูมิที่โลหะผสมนั้น อย่างเต็มที่ ของเหลว เหนือสิ่งนี้มันไหลได้อย่างอิสระ

ระหว่างสถานะโซลิดัสและลิควิดัส ตะกั่วบัดกรีจะมีลักษณะกึ่งแข็งกึ่งเหลว อยู่ในช่วงที่มีลักษณะคล้าย "แป้งเปียก" หรือ "พลาสติก" รอยต่อที่ถูกรบกวนขณะอยู่ในช่วงนี้มักจะมีลักษณะเป็นเม็ดๆ และอ่อนแอ (ซึ่งเป็นสาเหตุคลาสสิกของรอยต่อที่ถูกรบกวนหรือรอยต่อเย็น) ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่นิยมใช้โลหะผสมยูเทคติกที่ไม่มีช่วงพลาสติกสำหรับการบัดกรีด้วยมือ

จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรี (ดีบุก-ตะกั่ว)

ตะกั่วบัดกรีดีบุก-ตะกั่ว (SnPb) ครองตลาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มานานหลายทศวรรษ และยังคงใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และการแพทย์ ซึ่งความน่าเชื่อถือและการไม่มีหนวดดีบุกเป็นสิ่งสำคัญ พฤติกรรมการหลอมเหลวขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของดีบุกต่อตะกั่ว และโลหะผสม SnPb ทุกชนิดมีจุดหลอมเหลว (อุณหภูมิยูเทคติก) เดียวกันที่ 183 °C:

ข้อสรุปที่สำคัญคือ โลหะผสม Sn63/Pb37 เป็นโลหะผสมที่ควรเลือกใช้เมื่อต้องการรอยต่อที่สะอาดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพราะมันข้ามช่วงที่เหนียวข้นซึ่งอัตราส่วนอื่นๆ มีอยู่

จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่ว

กฎระเบียบ RoHS และกฎระเบียบที่คล้ายคลึงกัน ผลักดันให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่หันมาใช้ตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่ว ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากดีบุกผสมเงิน ทองแดง และบางครั้งอาจมีบิสมัทหรือนิกเกล โลหะผสมไร้สารตะกั่วมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าดีบุก-ตะกั่ว 30–45 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นผลกระทบที่สำคัญที่สุดในทางปฏิบัติของการเปลี่ยนมาใช้ตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่ว นั่นคือ มันทำให้จุดหลอมเหลวสูงสุดและความเครียดทางความร้อนบนแผงวงจรและชิ้นส่วนต่างๆ สูงขึ้น

SAC305 เป็นโลหะผสมที่ใช้ในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบไร้สารตะกั่วเป็นส่วนใหญ่ มีรุ่นที่มีปริมาณเงินต่ำกว่าและรุ่นที่เติมสารเจือปนเพื่อลดต้นทุนหรือปรับปรุงประสิทธิภาพในการทนต่อแรงกระแทกและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ แต่จุดหลอมเหลวยังคงใกล้เคียงกับ SAC ที่ 217 °C

บัดกรีอุณหภูมิต่ำและบัดกรีอุณหภูมิสูง

นอกเหนือจากโลหะผสมหลักแล้ว ยังมีโลหะผสมพิเศษอีกสองกลุ่มที่อยู่สุดขั้วของช่วงอุณหภูมิ

บัดกรีอุณหภูมิต่ำ

โลหะผสมดีบุก-บิสมัท (Sn42/Bi58)มีจุดหลอมเหลวเพียง138 °C (281 °F)และโลหะผสมอินเดียม-ดีบุก (In52/Sn48) มีจุดหลอมเหลว ประมาณ118 °C (244 °F)โลหะผสมเหล่านี้ใช้ในกรณีที่ชิ้นส่วนหรือวัสดุรองรับไม่สามารถทนความร้อนจากการหลอมแบบปกติได้ เช่น LED ที่ไวต่อความร้อน เซ็นเซอร์บางชนิด วัสดุรองรับที่ยืดหยุ่นได้ และการบัดกรีแบบขั้นบันไดที่ต้องเชื่อมต่อจุดที่สองโดยไม่ทำให้จุดแรกหลอมเหลวอีก ข้อเสียคือโลหะผสมบิสมัทมักจะเปราะกว่า

บัดกรีอุณหภูมิสูง

โลหะผสมตะกั่วสูง เช่นSn10/Pb88/Ag2 (ประมาณ 268–290 °C) และ Sn5/Pb95 (ประมาณ 308–312 °C) จะคงสภาพเป็นของแข็งที่อุณหภูมิสูงกว่าตะกั่วบัดกรีทั่วไป จึงนิยมใช้ในกระบวนการยึดชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบ่อขุดเจาะน้ำมันและก๊าซ และในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงอื่นๆ เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง ดีบุกบริสุทธิ์หลอมเหลวที่ 232 °C และตะกั่วบริสุทธิ์หลอมเหลวที่ 327 °C

ตารางเปรียบเทียบจุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรี

แผนภูมิรวมนี้แสดงโลหะผสมทั่วไปเรียงจากจุดหลอมเหลวต่ำสุดไปจนถึงสูงสุด

จุดหลอมเหลวเทียบกับอุณหภูมิการบัดกรีและการหลอมซ้ำ

สาเหตุที่ทำให้สับสนกันบ่อยคือ การเข้าใจว่าจุดหลอมเหลวคืออุณหภูมิที่คุณตั้งไว้บนหัวแร้งหรือเตาอบ ซึ่งไม่ใช่ จุดหลอมเหลวบอกคุณว่าตะกั่วบัดกรีจะกลายเป็นของเหลวเมื่อใด เพื่อให้ตะกั่วบัดกรีเกาะติดกับแผ่นรองและไหลได้ดี คุณต้องใช้ความร้อนสูงกว่าจุดหลอมเหลว เล็กน้อย

• อุณหภูมิปลายหัวแร้ง ตั้งอุณหภูมิให้สูงกว่าจุดหลอมเหลวมาก เพื่อส่งความร้อนเข้าไปในข้อต่ออย่างรวดเร็วก่อนที่ปลายจะเย็นตัวลง การตั้งค่าทั่วไปโดยประมาณคือ 315–370 องศาเซลเซียส (600–700 องศาฟาเรนไฮต์) สำหรับตะกั่วบัดกรีและ 350–400 องศาเซลเซียส (660–750 องศาฟาเรนไฮต์) สำหรับเครื่องมือไร้สารตะกั่ว ปรับให้เหมาะสมกับขนาดปลายและมวลของข้อต่อ
• อุณหภูมิสูงสุดของการหลอม ตั้งไว้ประมาณ 20–40 °C สูงกว่าจุดหลอมเหลวของโลหะผสม สำหรับ SAC305 (จุดหลอมเหลว ~220 °C) จุดสูงสุดทั่วไปคือ 235–250 °Cสำหรับ Sn63/Pb37 ที่มีตะกั่ว จะมีจุดสูงสุดประมาณ 210–225 °C เป็นเรื่องปกติ

ช่องว่างระหว่างจุดหลอมเหลวและอุณหภูมิใช้งานนั้นถูกกำหนดไว้โดยเจตนา: หากมีช่องว่างน้อยเกินไป ตะกั่วบัดกรีจะไหลได้น้อย (รอยต่อเย็น การเปียกไม่ดี); หากมีช่องว่างมากเกินไป คุณอาจเสี่ยงต่อการทำให้แผ่นรองหลุดลอก ทำให้ชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนเสียหาย หรือเกินอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะของแผ่นวงจร

เหตุใดจุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรีจึงมีความสำคัญในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ในกระบวนการผลิต จุดหลอมเหลวเป็นตัวเลขที่ใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างกระบวนการทางความร้อนทุกอย่าง หากกำหนดจุดหลอมเหลวผิดพลาด ผลผลิตก็จะลดลง โดยเฉพาะในจุดที่สำคัญที่สุด:

• การกำหนดโปรไฟล์การรีโฟลว์ โปรไฟล์การหลอมแบบสี่โซน (อุ่นก่อน, แช่, หลอม, ทำให้เย็น) ถูกกำหนดจากจุดหลอมเหลวและจุดแข็งตัวของโลหะผสม จุดสูงสุดต้องอยู่เหนือจุดหลอมเหลวโดยมีระยะปลอดภัยโดยไม่ทำให้ชิ้นส่วนเสียหาย ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโปรไฟล์ที่ปรับแต่งสำหรับ SAC305 จึงแตกต่างจากโปรไฟล์สำหรับกระบวนการที่มีตะกั่ว
• วัสดุแผ่น (Tg) อุณหภูมิที่สูงขึ้นของวัสดุไร้สารตะกั่วทำให้เข้าใกล้กับอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะของแก้ว (Tg) ของลามิเนตมากขึ้น ดังนั้นค่า Tg สูงจึงเหมาะสมกว่า FR-4 โดยทั่วไปมักระบุไว้สำหรับการผลิตที่ปราศจากตะกั่ว เพื่อหลีกเลี่ยงการแยกชั้นและการบิดเบี้ยว
• โลหะผสมหลายชนิด การใช้ลูกตะกั่วผ่านโปรไฟล์ที่ปราศจากตะกั่ว (หรือในทางกลับกัน) จะทำให้รอยต่อไม่น่าเชื่อถือ ความเข้ากันได้ของโลหะผสมต้องได้รับการควบคุมตลอดทั้งรายการวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ บีจีเอ.
• น้ำยาประสานและแผ่นแม่พิมพ์ เนื้อวางถูกเลือกให้เหมาะสมกับโลหะผสม และปริมาณการวางที่เหมาะสมจาก สเตนซิลตัดด้วยเลเซอร์ ช่วยให้รอยต่อมีเนื้อโลหะเพียงพอหลังจากฟลักซ์ไหม้หมดแล้ว
• ตัวเลือกอุณหภูมิต่ำ เมื่อแผงวงจรมีชิ้นส่วนที่ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงสุด 245 องศาเซลเซียสได้ จะเลือกใช้โลหะผสมอุณหภูมิต่ำหรือกระบวนการผลิตแบบเลือกเฉพาะแทน

Highleap Electronicsผู้ผลิต PCB และ PCBA จากประเทศจีน ดำเนินการทั้งกระบวนการบัดกรีแบบมีตะกั่วและไร้ตะกั่ว โดยใช้โปรไฟล์การหลอมละลายที่เหมาะสมกับโลหะผสมของเนื้อบัดกรีและมวลความร้อนของแผ่นวงจร ซึ่งได้รับการตรวจสอบโดย AOI และ X-ray บนชิ้นส่วนแบบอาร์เรย์พื้นที่ หากคุณไม่แน่ใจว่าโลหะผสมหรือพื้นผิวแบบใดเหมาะสมกับการออกแบบของคุณการตรวจสอบ DFMจะครอบคลุมถึงโลหะผสมบัดกรี พื้นผิว และข้อควรพิจารณาด้านความร้อนก่อนการผลิตแผ่นวงจร ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของงานประกอบ PCBและSMT แบบครบวงจรมาตรฐาน

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับจุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรี

จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรีในหน่วยเซลเซียสและฟาเรนไฮต์คือเท่าไร?

ขึ้นอยู่กับโลหะผสม โลหะบัดกรีที่มีตะกั่วเป็นส่วนประกอบที่พบได้ทั่วไปคือ Sn63/Pb37 ซึ่งมีจุดหลอมเหลวที่ 183 °C (361 °F) ส่วนโลหะบัดกรีไร้ตะกั่วที่พบได้ทั่วไปคือ SAC305 ซึ่งมีจุดหลอมเหลวประมาณ 217–220 °C (423–428 °F)

จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่วคือเท่าไร?

ตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่วส่วนใหญ่จะหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 217 ถึง 227 องศาเซลเซียส SAC305 อยู่ที่ 217–220 องศาเซลเซียส ดีบุก-เงินยูเทคติกอยู่ที่ 221 องศาเซลเซียส และดีบุก-ทองแดง (Sn99.3/Cu0.7) อยู่ที่ 227 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าตะกั่วบัดกรีประมาณ 30–45 องศาเซลเซียส

เหตุใดบัดกรีแบบยูเทคติกจึงมีจุดหลอมเหลวเพียงจุดเดียว?

โลหะผสมยูเทคติก เช่น Sn63/Pb37 คือส่วนประกอบเฉพาะที่หลอมเหลวและแข็งตัวที่อุณหภูมิเดียวเท่านั้น โดยไม่มีช่วงอุณหภูมิที่เป็นเนื้อเหนียวข้นอยู่ตรงกลาง การเปลี่ยนผ่านที่คมชัดนี้ทำให้ได้รอยต่อที่เรียบร้อย และทำให้การบัดกรีด้วยมือทำได้ง่ายและไม่ผิดพลาด

ฉันควรตั้งอุณหภูมิหัวแร้งบัดกรีไว้ที่เท่าไหร่?

เหนือจุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรีเพื่อให้ความร้อนถ่ายเทได้อย่างรวดเร็ว: ประมาณ 315–370 °C (600–700 °F) สำหรับตะกั่วบัดกรีแบบมีตะกั่ว และ 350–400 °C (660–750 °F) สำหรับตะกั่วบัดกรีไร้ตะกั่ว โดยปรับตามขนาดหัวแร้งและมวลของข้อต่อ ตัวเลขที่แน่นอนคืออุณหภูมิใช้งาน ไม่ใช่จุดหลอมเหลวที่แท้จริง

อุณหภูมิในการบัดกรีเท่ากับจุดหลอมเหลวหรือไม่?

ไม่ใช่ จุดหลอมเหลวคือจุดที่ตะกั่วบัดกรีกลายเป็นของเหลว อุณหภูมิการบัดกรีหรือการรีโฟลว์จะถูกตั้งไว้สูงกว่าจุดนั้น โดยทั่วไปแล้ว จุดสูงสุดของการรีโฟลว์จะสูงกว่าจุดหลอมเหลวของโลหะผสมประมาณ 20-40 °C เพื่อให้ตะกั่วบัดกรีเกาะติดได้อย่างเหมาะสม

ฉันสามารถใช้ตะกั่วบัดกรีแบบมีตะกั่วและแบบไร้ตะกั่วผสมกันได้หรือไม่?

ควรหลีกเลี่ยงการผสมโลหะผสม เช่น การใช้ลูกบอล BGA ที่ปราศจากตะกั่วผ่านโปรไฟล์ที่มีตะกั่ว จะทำให้เกิดความไม่เข้ากันของสารประกอบโลหะและจุดหลอมเหลว ซึ่งทำให้รอยต่อไม่แข็งแรง ในกระบวนการผลิต ความเข้ากันได้ของโลหะผสมจะถูกควบคุมตลอดทั้งชุดประกอบ

ตะกั่วบัดกรีชนิดใดมีจุดหลอมเหลวต่ำที่สุด?

ในบรรดาโลหะผสมทั่วไป อินเดียม-ดีบุก (In52/Sn48) มีจุดหลอมเหลวประมาณ 118 °C และดีบุก-บิสมัท (Sn42/Bi58) มีจุดหลอมเหลวที่ 138 °C โลหะบัดกรีอุณหภูมิต่ำเหล่านี้ใช้สำหรับชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนและการบัดกรีแบบขั้นบันได แม้ว่าโลหะผสมบิสมัทจะเปราะกว่าก็ตาม