電氣電路設計｜基礎篇
焊料的種類和接合機制
2025.05.14
聽到“接合技術”一詞時，首先想到的可能是使用木工膠或熱熔膠等粘合劑的接合方法。本文將介紹使用“焊料”將金屬接合在一起的技術。
可能很多人認為設計和開發電子產品的工程師通常是擁有專業焊接技能的人。包括“如今已經不好意思問了”的資深技術人員在內，讓我們再次回到基礎，重新來回顧一下相關的知識吧。
連接金屬的三種技術
錫焊（Soldering）
錫焊是一種用“焊料”使金屬熔化從而實現金屬連接的技術。使用“焊料”的接合技術，其歷史比“熔焊”更悠久，甚至在古埃及出土的文物中也可以找到相關證據。如今，其製程、材料和工具仍在不斷發展進步。
其材料是鉛和錫，可以在比硬焊（Brazing）更低的溫度下實現接合。其熔點為200～400℃，適合用來組裝電子元件和精密設備。一般來說，其接合強度比硬焊要弱。
錫焊的接合原理與使用“膠水”等的粘合存在根本上的差異。
當在銅上進行錫焊時，在錫和銅之間的微小區域中會形成幾微米的合金層（擴散層）。這就形成了微觀上的溶接狀態，焊料和母材（銅）牢固地接合在一起（圖1）。
圖1：錫和電路板圖案（銅）之間的合金擴散層
參考文獻：https://toragi.cqpub.co.jp/tabid/693/Default.aspx
對於鍍金的印刷電路板來說，錫和金會形成合金層（AuSn2），從而實現接合。這種合金會包含薄薄的金層，底層的鎳層和錫會形成擴散層（合金層）。
硬焊（Brazing）
硬焊是一種使用銀、銅和鋁等“硬焊材料”進行接合的技術。其接合部位很牢固且能承受高溫，因此多用於組裝配件、模型和眼鏡等。
硬焊利用熔點低於接合母材的金屬熔化時產生的“潤濕性”，將母材接合在一起。接合材料（硬焊材料）包括銀、金、銅和鋅等。
硬焊和錫焊統稱為“硬焊”。錫焊是硬焊的一種。兩者非常接近，所以也有文獻稱“硬焊是錫焊的一種”。據說硬焊可以比熔焊更精細、更精密，但隨著熔焊技術的進步，如今已經不再是正確的表達方式。
熔焊（Fusion welding）
熔焊是一種以超高溫度熔化母材本身來實現接合的技術。焊點強度比硬焊要高。一般來說，熔焊需要比硬焊更大的工具。
熔焊給人的印象是火花四濺、接合大型金屬部件用的方法，但它也是精密電子電路不可或缺的接合技術。這種焊接方式還可用來將電極（極耳）焊接到電池引腳上（稱為“點焊”）。也可用來連接熱電偶兩種金屬線的線頭。
其他電氣連接技術
壓接、壓入
通過施加機械壓力使材料變形，從而使材料之間形成機械接觸。這種方法常用於連接器端子等的連接。只要使用正確的工具，這是一種可靠性非常高的連接方法。
螺栓連接
使用螺栓使端子之間形成機械連接。這種方法用於連接端子台、大功率接頭和接地母線。
超聲波接合
利用超聲波使材料與材料之間產生摩擦，去除表面的氧化物，並產生熱量和塑性變形從而實現接合。用細的鋁線或金線將信號從IC內部的半導體晶片上的電極焊盤引到IC引腳上時，可以使用這種方法。相應的設備被稱為“超聲波焊線機”。
導電膠
這是通過將環氧粘合劑與銀或碳納米管等導電填料混合而成的導電膠進行接合的方法。導電膠具有導電的特性，因此也適用於需要電氣連接的位置。在導電膠硬化的過程中，環氧樹脂會輕微收縮，內部的填料粒子會緊密地結合在一起，從而形成電流通道。
特別是對於半導體封裝和電路板的接合來說，當錫焊較困難或需要避免焊接熱效應時，通常會使用導電膠。
繞線（Wire wrapping）
將導線纏繞在端子（接線柱）上來連接電極和導線的方法（圖 2）。這種方式被認為比錫焊的可靠性更高。以往曾經是航空航太領域也會使用的重要技術，但現在已經幾乎不再使用了。
圖2：繞線連接示例
連接器
使用彈簧機構以機械方式使電極之間接觸的元件。具有代表性的是USB和電源插頭。
導電橡膠
液晶面板會使用機械按壓時會導電的橡膠。
實驗用的“共晶”和量產用的“無鉛”
共晶焊料（Eutectic Solder）
焊料通常是由錫和鉛組成的。錫的熔點為231.9℃，鉛的熔點為327.5℃（圖3）。通過將這兩者混合並適當調整比例，可將熔點降至183℃～184℃，這樣更易於加工。
圖3：鉛和錫的比例以及合金的熔點
資料來源：FCT Solder 公司官網
熔點最低的混合比例（共晶條件）為63%錫+37%鉛（用符號表述為“Sn63-Pb37”）。這種合金稱為“共晶合金”。
另外也有混合比例不符合共晶條件的共晶焊料，比如60%錫+40%鉛、50%錫+50%鉛。鉛的含量越高，熔點越高，越難熔化，強度越高。需要連接較重或發熱量較大的零部件時，或希望避免“液體滴落”時，要使用鉛含量較大的焊料。對於印刷電路板上的通孔來說，因為焊料不易流入其中而不適合使用這種焊料。
市場上也有銅含量很少（約0.5%）的焊料。這種焊料這可以防止銅被焊料中的錫侵蝕。適用於超細銅線和印刷電路板上的銅圖案。
出於同樣的目的，市面上也有銀含量很少（~2%左右）的焊料，用來防止銀侵蝕。
印刷電路板最常用的焊料混合比例是60%錫+40%鉛（熔點199°C）。筆者也很喜歡使用這種焊料。筆者除了無鉛焊料外，幾乎沒使用過其他混合比例的焊料。
無鉛焊料
“鉛”的管制
鉛在自然界中含量豐富，並且具有像共晶焊料這樣易用的特性。然而，鉛有毒性，能致癌，對環境的影響也很大，因此世界各地從2000年左右開始發布對鉛進行監管的法律法規。
特別是歐盟，於2006年7月頒佈了RoHS指令，規定鉛含量在1000ppm以上的產品不得在歐盟境內銷售。RoHS指令的管制物件包括鉛、汞、鎘、六價鉻等。
無鉛焊料的特點
隨著環境的可持續性成為優先考慮的問題，很多國產家用電器都開始使用無鉛焊料了。
“無鉛”一詞並不意味著“完全不含鉛”，而是“幾乎不含鉛”。
根據成分，無鉛焊料主要分為以下幾種：
- 1. 錫95%以上+銀或銅（熔點217℃）
- 2. 錫+鋅（熔點200℃）
- 3. 錫+銅（熔點227℃）
無鉛焊料的熔點比錫+鉛的共晶焊料要高，潤濕性較差，因此焊接時的作業效率較差，焊點較粗糙，缺乏光澤。
為了提高這種焊料的作業效率，相關的研究一直在進行。
焊料需要具備的性能是“低熔點”和“高強度”。熔點越低，對電路板和元件造成的損害就越小。而強度則是越高越好，這是不言而喻的。
拆除用的低熔點焊料
使用“低熔點焊料”來拆除焊接到電路板上的元件，已經有很悠久的歷史（圖 4）。
圖 4：市售低熔點焊料套件示例
出處：https://shop.sunhayato.co.jp/products/smd-21
這種焊料含有鉍等元素，熔點在100℃以下（40～95℃）。由於焊料長時間不凝固、保持液態，因此即使是多引腳IC也可以輕鬆拆除。但由於其粘合強度較弱且較脆，因此不能用於接合。
專欄：錫焊技術持續改進
一些文獻中記載“合金層的厚度約為9μm”。我認為與一般印刷電路板“35μm (1oz)”的銅厚度相比太大了，所以我對相關內容進行了調查。
在本文最後的參考文獻[1]中，將銅板浸入熔融的焊料合金中，在焊料附著後，將其拉出並觀察了橫截面。根據文獻中的內容，在實際的錫焊條件下，擴散層的厚度在不依賴於溫度和時間、焊料的混合比例為錫60%+鉛40%的情況下，合金層的厚度約為3μm。文獻中介紹了構成擴散層的合金是以錫為主、還含有微量銅和鉛的合金。
文末的參考文獻[2]是同一研究團隊的後續報告。文獻中的實驗中，為了消除焊料對流的影響，將焊料放在銅板上進行了加熱。該條件接近使用烙鐵的實際錫焊條件。
隨著電子元件超日益小型化的方向發展，擴散層周圍的孔隙（類似氣泡）已經不容忽視，包括金屬製造商在內的很多製造商和研究團隊，都在著手進行相關研究。下一代無鉛焊料解決方案呼之欲出。
參考文獻
[1] 善養寺薰：［VOD］觀看影片一起進入印刷電路板開發KiCad的世界【玩轉KiCad 6】，ZEP Engineering。
[2] 善養寺薰：［VOD］觀看影片一起進入印刷電路板開發KiCad的世界【KiCad 6的101個專業級技巧】，ZEP Engineering。
企劃/製作人：ZEP Engineering