2.3 无铅焊料

概述

在选择无铅焊料的时候，我们总是将锡铅共晶焊料作为基准，从影响焊接性能与可靠性的两方面进行对比评价。表征焊料性能的重要特性如图2-11所示。

无铅焊料仍然采用Sn基合金（Sn≥60wt%），能够用于制造具有实际应用价值的合金元素非常少，主要限制在Cu、Ag、Bi、In、Ge等元素范围。尽管提出的无铅焊料合金很多，但真正得到广泛使用的并不多，常用几种无铅焊料合金见表2-4。

Sn-Ag-Cu系无铅焊料合金已经成为无铅焊料合金的主流。在Sn-Ag-Cu系无铅焊料合金中Sn与Ag、Cu元素之间形成的IMC和中间相显著地影响着合金的强度与疲劳寿命。研究表明，无论Cu的含量变化（0.5%～3.0%）还是Ag的含量变化（3.0%～4.7%），对其合金的熔点温度影响并不明显，但Ag和Cu含量变化对其合金的机械性能有明显的影响。

常用焊料合金

无铅焊料，已经商用的主要有四大系列，即高可靠性的Sn-Ag系列、低成本的Sn-Cu系列、高熔点的Sn-Sb系列和低熔点的Sn-Bi系列与Sn-Zn系列。其中Sn-Cu仅用于波峰焊接和手工焊接，Sn-Zn仅用于再流焊接。

1.Sn-Ag合金系

Sn-Ag合金是无铅焊料的主要系列，包括Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-In。

1)Sn-Ag

Sn-Ag属于共晶合金，熔点为221℃。Ag₃Sn是比较稳定的化合物，Ag几乎不固溶于Sn。因此，高温性能和抗电迁移性能都相当优秀。

Sn-Ag二元合金相图如图2-12所示。与Sn-Pb系相图相比，Sn-Ag系相图的左半部分与共晶相图形似，右半部比较复杂。Ag含量约为73%附近的狭长区域被标为Ag₃Sn，表明在此组分和温度范围下，Ag₃Sn能够稳定地存在。在Sn-Pb系合金中，Sn和Pb在一定范围内都能相互固溶，但Ag几乎不固溶在Sn中。也就是说，Sn-Ag合金的共晶组织是由几乎不含Ag的纯β-Sn和析出的微细Ag₃Sn组成的。

添加Ag所形成的微细Ag₃Sn对机械性能的改善有很大的贡献，但是当Ag含量超过3.5%后拉伸强度相对降低，这是因为此时形成的Ag₃Sn呈数十微米的板状，属于粗大型的金属间化合物，这种形貌的化合物不仅强度低，而且对疲劳和冲击性能也有不良的影响。

2）Sn-Ag-Cu（一般缩写为SAC）

在Sn-Ag中加入Cu，能够在保持Sn-Ag合金优秀性能的同时，降低熔点，减少Cu的溶蚀。常用合金为Sn-3Ag-0.5Cu（一般缩写为SAC305），显微组织与Sn-Ag共晶合金几乎没有区别，Ag₃Sn仍然呈纤维状，Cu与Ag一样，几乎不固溶于Sn，共晶部分含有Cu₆Sn₅，但形态与Ag₃Sn相近，无法被区分。不适合用于波峰焊接，溶铜率太高。

Ag含量超过3.2%就比较容易形成板状Ag₃Sn初晶。

2.Sn-Cu合金系

（1）Sn-Cu合金因不含Ag，价格低。其二元合金相图如图2-13所示。

（2）共晶点为Sn-0.75Cu，共晶温度约为227℃，此熔点在无铅焊料中偏高。

（3）Sn＞60wt%时的组织与共晶合金组织类似，可看作Sn-Cu₆Sn₅的二元共晶合金。

（4）Sn-Cu共晶合金组织与Sn-Ag共晶合金类似，都是由β-Sn初生晶粒和包围着初晶的Cn₆Sn₅/Sn共晶组织组成的。虽然组织类似，但Cu₆Sn₅的稳定性不如Ag₃Sn，其细微的共晶组织在100℃下保存数小时就会消失，变成分散着Cu₆Sn₅的粗大组织，因此，Sn-Cu系焊料的高温性能和疲劳性都劣于Sn-Ag合金。

Sn-Cu合金中Cu₆Sn₅的分散量少，较Sn-Ag-Cu合金柔韧，为了使Cu₆Sn₅组织细小化，一般添加微量的Ag、Ni、Au等第三种元素。添加0.1%的Ag就可以将焊料的塑性提高50%。Ni的添加能减少锡渣。

（5）Sn-Cu-Ni由于其良好的润湿性、抗溶Cu性，已经用于波峰焊接。由于其比较高的熔点以及低的温度循环可靠性，没有用于再流焊接。

3.Sn-Bi合金系

（1）Sn-Bi合金凝固时的一大特色是Bi原子可以固溶于Sn晶格中而不像其他Sn合金形成金属间化合物。Sn-Bi二元合金相图如图2-14所示。

（2）通常用于焊料的合金成分位于共晶点附近左侧，可以根据需要在大范围内（139～232℃）调节熔点。Sn58Bi共晶合金由于其熔点低常用作低温焊料，且焊接效果理想。

（3）亚共晶组织的Sn-Bi合金，凝固时Bi以10μm以上的粒径从金属中析出，同时由于Bi的固溶度降低，Sn初晶中也有细小的板状Bi析出。Bi合金的一大问题是Bi较脆，耐冲击性较差。

（4）与Pb匹配性非常差，两者无法共存。

（5）如果Bi含量偏离共晶成分很多（如9%）或有微量Pb存在，通孔插装波峰焊接焊点会发生焊点从焊盘剥离的现象。

4.Sn-Sb合金系

（1）Sb是少数能够固溶于β-Sn的合金元素（高温下），Sn-5Sb合金在焊接的瞬间可使Sb固溶于β-Sn，冷却时析出β-SnSb。Sn-Sb二元合金相图如图2-15所示。

（2）Sb同Pb、Bi一样，可以降低Sn的表面张力从而增加其润湿性。

（3）Sn-Sb合金拥有很好的抗热疲劳性能。此合金不是共晶合金，Sb在200℃下能够在β-Sn中固溶10%，而在室温下几乎不固溶。