详细介绍低温锡膏的焊接原理

低温锡膏的焊接原理是材料特性、物理相变与界面化学作用协同的结果，其核心是通过低熔点合金的熔化-润湿-凝固过程，在低温环境下实现母材（如PCB焊盘、元器件引脚）的冶金结合。

相较于传统高温锡膏（如SnAgCu合金，熔点217°C以上），低温锡膏（以SnBi系为例，熔点138°C）的焊接原理在温度控制、界面反应和工艺适配性上有显著差异，具体可从以下维度解析：

 核心成分：焊接原理的物质基础

 低温锡膏的功能实现依赖于焊锡粉末与助焊剂的精准配比，二者的协同作用是低温焊接的前提。

 1. 焊锡粉末：低熔点合金的“相变核心”

主流低温锡膏的焊粉以锡铋（SnBi）合金为基体（占比90%以上），部分会添加微量Ag（0.3%-1%）、Cu（0.1%-0.5%）或Zn（1%-3%）等元素优化性能。

其关键特性是低熔点：纯Sn熔点232°C，纯Bi熔点271°C，但Sn与Bi形成共晶合金时（Sn63Bi37），熔点骤降至138°C（共晶点），这是实现低温焊接的核心物理基础。

焊粉的形态与尺寸也影响焊接行为：工业级低温锡膏多采用球形微米级粉末（粒径5-30μm），部分高端场景（如超细间距焊接）使用纳米级粉末（1-5μm）。

小粒径粉末的比表面积更大，可降低熔化激活能，使焊粉在略高于共晶点的温度（150-175°C）即可快速熔化，缩短高温停留时间。

2. 助焊剂：界面清洁与润湿的“催化剂”

助焊剂占锡膏质量的10%-15%，是低温焊接的“隐形核心”，其功能直接决定焊接可靠性：

去除氧化层：通过有机酸（如己二酸、谷氨酸）或有机胺盐等活化剂，在低温（80-120°C）下与母材表面的氧化膜（如CuO、SnO₂）反应，生成可溶于助焊剂的盐类，暴露新鲜金属表面；

降低表面张力：通过松香（或合成树脂）等成膜剂，降低熔融焊料与母材的界面张力（从高温锡膏的40-50mN/m降至30-35mN/m），促进焊料铺展；

防二次氧化：在焊接过程中形成保护膜，阻止高温下母材和熔融焊料再次氧化；

调节黏度：溶剂（如乙醇、乙二醇醚）与增稠剂（如氢化蓖麻油）配合，使锡膏在印刷时保持形状（抗塌陷），加热时逐步挥发，避免焊点出现气孔。

 焊接过程：四阶段的物理化学变化

 低温锡膏的焊接通过回流焊工艺实现，整个过程可分为预热、升温、回流、冷却四个阶段，每个阶段的温度区间和核心反应严格匹配低熔点合金的特性：

 1. 预热阶段（80-120°C，持续60-90s）

 物理变化：助焊剂中的溶剂（占比30%-50%）逐步挥发（避免后期高温下剧烈沸腾导致焊料飞溅），锡膏黏度略微上升，保持印刷形状；

化学作用：助焊剂中的活化剂开始分解，与母材（如PCB铜焊盘）表面的氧化膜（CuO、Cu₂O）反应，生成水溶性或脂溶性产物（如铜盐），初步清洁界面。

关键控制 ：升温速率需平缓（1-2°C/s），避免溶剂挥发过快导致锡膏“干涸”或焊点出现针孔。

 2. 升温阶段（120-140°C，持续30-60s）

 焊料熔化启动：当温度接近SnBi共晶点（138°C）时，焊粉颗粒开始“软化-熔化”：先从颗粒表面开始熔融（低熔点Bi元素优先扩散），形成液态焊料薄层；

助焊剂深度活化：活化剂在120-140°C达到最佳活性，彻底去除焊粉表面的氧化层（SnO、Bi₂O₃）和母材残留氧化膜，为焊料润湿扫清障碍；

颗粒融合：熔融的焊料薄层通过 capillary 力（毛细作用）将相邻焊粉颗粒连接，逐步形成连续的液态焊料池。

核心差异 ：相较于高温锡膏（需升温至220-250°C），此阶段温度仅比共晶点高2-10°C，大幅减少母材热损伤风险。

 3. 回流阶段（峰值温度150-175°C，停留10-30s）

 完全润湿与铺展：液态焊料在助焊剂降低表面张力的作用下，沿母材表面快速铺展（润湿角需≤30°，确保焊接强度），覆盖整个焊盘区域；

界面冶金反应：液态焊料中的Sn、Bi原子与母材（如Cu、Ni）表面原子发生扩散，形成金属间化合物（IMC）层——这是实现“冶金结合”的核心标志。

例如，在铜焊盘上，Sn会与Cu反应生成Cu₆Sn₅（η相），厚度控制在0.5-2μm（过厚会导致脆性增加）；

Bi因扩散能力较弱，主要富集在焊点内部（需通过成分优化减少偏析）。

助焊剂残渣形成：助焊剂中的树脂成分在高温下碳化或聚合，形成保护膜覆盖焊点表面，防止冷却过程中二次氧化。

工艺关键 ：峰值温度需严格控制（高于共晶点10-30°C），过高会导致Bi过度偏析（形成脆性相），过低则焊料未完全熔化，出现虚焊。

 4. 冷却阶段（从峰值温度降至室温，速率2-4°C/s）

 焊料凝固：液态焊料随温度降低快速凝固，形成具有一定强度的焊点结构。

SnBi合金的凝固过程遵循“共晶凝固”规律，Sn与Bi原子按比例排列形成细密的共晶组织（减少Bi的粗大析出）；

IMC层稳定：界面处的Cu₆Sn₅层停止生长，形成稳定的冶金结合界面，确保焊点的机械强度（抗拉强度需≥20MPa）和导电性（电阻率≤15μΩ·cm）；

应力释放：缓慢冷却（速率≤4°C/s）可减少Bi元素的偏析（避免局部Bi富集导致的脆性），同时降低焊点与母材因热膨胀系数差异产生的内应力。

 核心机制：低温下的“高效焊接”密码

 低温锡膏能在低温度实现可靠焊接，本质是成分设计与工艺控制对三个核心机制的优化：

 1. 低熔点驱动的低能耗相变

SnBi共晶合金的低熔点特性，使焊接过程无需高温即可完成“固态-液态-固态”相变，从热力学上减少能量输入，同时避免母材（如柔性PCB的PI基板、LED芯片的蓝宝石衬底）因高温产生的热变形或性能退化。

2. 助焊剂的低温活性匹配

传统高温锡膏的助焊剂活化温度多在180-220°C，而低温锡膏的助焊剂通过低沸点活化剂（如低碳链有机酸）设计，使其在100-140°C即可高效去除氧化膜，解决了“低温下氧化层难以清除”的核心难题。

3. 界面冶金的精准控制

低温下Sn、Bi与母材的扩散速率较慢，通过控制回流时间（峰值停留≤30s），可将IMC层厚度稳定在1-2μm（理想范围）：过厚的IMC（如>3μm）会因脆性导致焊点抗冲击性下降，而低温环境恰好抑制了过度扩散，平衡了强度与韧性。

 与高温锡膏焊接原理的核心差异；

 维度 低温锡膏（SnBi系） 高温锡膏（SnAgCu系） 

熔点与峰值温度 138°C / 150-175°C 217°C / 230-260°C 

助焊剂活性温度 100-140°C（低沸点活化剂） 180-220°C（高沸点活化剂） 

IMC层形成速率 较慢（低温抑制扩散） 较快（高温加速扩散） 

热应力产生 低（温差小，热膨胀差异小） 高（温差大，易导致母材翘曲） 

低温锡膏的焊接原理，是“低熔点合金设计”“低温活性助焊剂”与“精准界面冶金控制”的协同创新。

其核心不是简单的“温度降低”，而是通过材料与工艺的适配，在低温环境下依然实现“润湿-扩散-IMC形成”的完整冶金结合过程，最终在减少热损伤、降低能耗的同时，满足电子焊接的可靠性要求。

这一原理也决定了其在柔性电子、精密器件等对热敏感场景的不可替代性——既是材料科学的突破，也是工艺逻辑的重构。