实用无铅钎料合金性能解析

时间：2018-05-31

实用无铅钎料合金性能解析：
（1） Sn-Ag二元合金
当组分为Sn-3.5Ag时形成共晶合金，融化温度为221℃，其状态如图1.3所示，图1.4所示为该合金的典型金相组织。

   因此业内人士认为用Sn-Ag钎料作为Sn-Pb的替代品应该很方便，但是这种材料也有以下几个问题：
    熔点为221℃，相对于许多表面安装器件和工艺来说都太高了；
    内含（3.5~4）wt%Ag,将因成本过高而在某些领域的应用中受到限制；
    当合金内不同区域的冷却速率不同时，会因Ag的相位变化而无法通过可靠性试验。
    有人将Sn-4Ag合金块进行再流并从底部强制冷却却，然后检查它在不同冷却速率下的微观结构，如图1.5所示。

Sn-4Ag合金由于冷却速率不同而有三种金相结构，这种结构缺陷与焊点上发生的情况很类似。因此，它可能引起现场失效。正是由于这个原因，多数OEM厂商和工业组织都反对采用Sn-Ag作为主要的无铅钎料合金。Ag的相变问题还引起了人们对含Ag最高的Sn-Ag-Cu合金的担心。
合金中Ag含量的增加对合金机械性能的影响，如图1.6所示。Sn-3.5Ag合金的物理性能，如图1.7所示。

（2）Sn-Cu系合金
Sn-Cu系合金的状态图如图1.8所示。可以看出在Cu侧形成了复杂的多个金属间化合物，而当Sn含量>60%时，可见到近似共晶的合金。当成分为Sn-0.7Cu时构成共晶组分，其金相组织形式为Sn-Cu6Sn5的二元合金。共晶点的温度为227℃，在这无铅钎料合金中属于熔点比较高的合金类，因而在组装中焊接温度要超过250℃，不适合进行再流焊接。由于其不含Ag,因而价格比较低，多用在比较简单的PCB的经济型产品波峰焊接中。

Sn-Cu共晶组织和Sn-Ag二元共晶合金类似，由图1.9可以看到由β-Sn初晶粒和包围在其周围的Sn/Cu6Sn5共晶组织的金相结构。

   Cu6Sn5不像Ag3Sn那么稳定，如图1.9中所示的微细共晶组织在100℃温度下，只能保持数十个小时便消失了，分散的CU6Sn5粒子组织的粗大化变化，正是导致Sn-Cu系钎料合金的高稳定性和热疲劳可靠性与Sn-Ag系钎料合金相比相差的原因。尽管Sn-Cu合金可以节约一部分成本，但它也有以下几个问题需要考虑。
   熔点为227℃，比Sn-3Ag-0.5Cu高了约9℃，因此在许多温度敏感场合下，其应用受到限制。
   与其他无铅钎料合金相比，这种合金湿润性较差，在很多时候要求使用氨气和活性较强的助焊剂，很差的疲劳特性会引起现场失效，可能会安全抵消廉价带来的初期成本的节约。
   延展性：0~30%。
   电阻率：11.67uΩ.cm
   为了细化Sn-Cu合金毛细作用能力低，难以吸入PTH孔中；同时它缺乏表面安装组件所需要的抗疲劳特性。
   很差的疲劳特性会引起现场失效，可能会安全抵消廉价带来的初期成本的节约。
   延展性：0~30%.
   电阻率:11.67uΩ.cm
   为了细化Sn-Cu合金中的Cu6Sn5的粒度，可在其中添加Ag、Ni、Co等微量元素来进行改性。例如，添加0.1%的Ag可以改善其机械性能；而添加微量的Ni不仅具有抑制氧化浮渣发生的效果，而且还使其润湿性接近纯Sn,故改善了对PCB的PTH孔的透孔性。
（3） Sn-Bi合金
   Bi正成为无铅电子系统中的必要元素。例如，在SMT制造中，一块PCB上就可能组装有一个或多个含Bi的元器件。这是因为，除PB之外，Bi是减少Sn晶频现象发生的最有效的元素。
   就健康危害方面而言，Bi比其他常用金属如Sn、Ag、In、Cu和Ni更安全（根据美国OSHAPEL标准）。在采用Bi的钎料中，有两种含Bi合金：Sn-58Bi和Sn-43pb-14Bi是得到确认的组分。其中，Sn-58Bi组分在低温条件下，如在室温或接近室温的情况下，是一种强有力的合金。不过其性能会随着温度升高急剧下降，因而其应用只限于低温条件下。
   在Sn系合金中添加了Bi的钎料如图1.10所示，这可以制得共晶点138-232℃范围极宽的熔点合金。它不形成化合物，是单纯的BI/Sn共晶组织，在Sn的基体中固溶了多量的Bi而无其他合金系的特点。

图1.11所示为Sn-40Bi的亚共晶组织，Bi具有10um以上的粗大形状的结晶，故其脆性大，而且还影响机械性能。在Sn初晶中可析出微细的板状Bi,这样在钎料凝固后的固定中就失去了固溶度，从而导致其耐冲击性能变差。

该合金在实际应用中的问题是；其熔点约为190℃。从状态图可以看出此时的固一液共存区很大，其后果是易导致凝固偏析现象的发生。它在80℃的温度下是稳定的合金组织，一旦超过140℃便因Bi晶粒的粗大化而变脆。
（4） Sn-Zn系合金
Sn-Zn系共晶钎料是和Sn-Pb共晶钎料熔点最接近的一种无铅钎料合金，而且它还具有良好的机械性能和经济性。图1.12所示是该系钎料合金的状态图。它不形成化合物，合金元素相互之间几乎不固溶，Sn相和Zn相是分离的。Zn相虽然呈现较大的板状结晶，如图1.13所示；然而，又不像Bi系合金那么脆，机械性能那么差。