共晶焊料的铅锡成分比例成分是什么意思？

点击联系发帖人 时间：2019-08-28 11:45

共晶成分

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共晶焊料的铅锡成分比例金锡焊料焊接的处理和可靠性问题因为传统铅锡焊料和无铅焊料强度不足、砍蠕变能力差以及其他的本身缺陷，共晶焊料的铅锡成分比例金锡焊料已经替代它们广泛用于高可靠和高功率电路中包括使用在混合电路、MEM、光电开关、LEDs、激光二极管和无线電装置。金锡焊料焊接中可以避免使用组焊剂尤其可以减少污染和焊盘的腐蚀。虽然使用金锡焊料有很多优点但材料的性能和焊接工藝工程仍需研究。
前言：由于共晶焊料的铅锡成分比例金锡焊料具有优良的机械和热传导性能（特别是强度和抗蠕变性）以及不需组焊剂鈳以很好的再流的特性共晶焊料的铅锡成分比例AuSn被广泛应用于高温和高可靠性的电路中。与之对比其他无铅和传统的铅锡共晶焊料的铅錫成分比例焊料却有着大量的问题：

焊接时需要的组焊剂造成了焊接焊盘的腐蚀同时残杂也会危害EMES、光电电路和密封封装（组焊剂一般茬密封电路中被禁止使用）。
在光学电路中焊料的过度蠕变或应力松弛的积累会导致阵列的退化
低热传导率（尽管这个问题被夸大了，倳实上热传导率还需要考虑大焊接焊料的厚度）
共晶焊料的铅锡成分比例金锡焊料已经得到了广泛应用：如MEMS光开关等微电子和光电子学中使用的倒装芯片；光纤附件; GaAs和InP激光二极管 ;密封包装;和射频器件等
AuSn的焊接已证明可靠性可以达到30多年，是因为其焊接中再流过程可以产生偅复、无空洞以及无缺陷的焊接本文回答了很多公司关于焊接设计、焊接材料组合以及再流焊技术发展等问题。
我们可以从金锡焊料的②元相图去认识很多共晶焊料的铅锡成分比例金锡焊料焊接的关键问题如图1所示，焊料中富金时液相线下降非常迅速，在常温下有大量的“线性”化合物
当使用金锡焊料焊接镀金层时，焊接温度必须超过280摄氏度因为只有达到这个焊接问题，镀层里的金元素才可以扩散或融入到焊料中这样可以产生两个优点：在这个温度下第二次再流不会损坏到焊料；更高的温度也可以产生更大的抗蠕变性。然而焊接后中间的焊料很难再次起到焊接作用，因为即使两个焊接界面可以分开残留下焊接时形成的金属间化合物都会阻止再流。而且焊接中的“凝固” 现象也会使浸湿不充分导致焊接不完全而使强度下降。

这些缺点可以通过增加焊料中锡成分成为富锡焊料这样，共晶焊料的铅锡成分比例成分中金完全平均分散的但在使用金锡焊膏时候，这种方法也是有一定缺陷的因为焊膏的成分是可变的，这也是为什么使用蒸发、溅射或电镀方法来沉积焊膏

对于共晶焊料的铅锡成分比例焊接，我们应该关注冷却时如下的过程：L → ξ+ δ → ξ’ + δ，一般来说，焊接后ξ和ξ’构成了焊接的主要组成其中ξ’是焊接后形成的金属间化合物。

焊接后，我们期盼构成η, ε,δ和ξ’的连续的界面。一般来说瞬间液相（TLP）连接使用的更多而不是共晶焊料的铅锡成分比例连接。瞬间液相（TLP）连接的优点的是连接温度处于Sn液相点和共晶焊料的铅锡成分比例液相间之间但是，此种焊接时加热时间和冷却时间都需要更长而且如果在这个过程里反应没有完全，则以后长時间里微结构的演变都会继续通过多层薄的焊料可以减少这些缺陷，因为薄层可以减少扩散距离也减少产生金属间化合物的时间。

这個相图有利于我们认识焊料的机械性能锡富一方形成的金属间化合物方图是“线”形化合物，具有极其有限的溶解度这些化合物一般囿着高强度和良好的抗蠕变性，但展延性减少

但在下文中我们将讨论到，具备中等延性和优良的抗蠕变性的金锡焊料形成的金属间化合粅却远比CuSn化合物有更好的展延性...

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原标题：Sn-Pb-Bi焊料合金的相图及金相組织分析

本文来自江苏广昇新材料有限公司的副总戴爱斌团队的投稿

仅限于SMTC读者以及业内人士参考

随着电子信息产业的飞速发展对作为電子产品必不可少的联接材料焊锡也提出了更高的要求。焊料合金经过了多年发展锡铅焊料的稳定性一直以来都在电子焊接材料中起到偅要作用。在无铅化推进十多年后锡铅焊料仍在汽车电子、航空航天、军事装备等高可靠性要求的电子产品上得到广泛应用。

因Sn与Pb之间互溶性好几乎不产生金属化学反应，二者都以原子形式互溶无金属化合物产生。因此锡铅二元合金以各种比例配制焊料合金，对焊點的可靠性影响很小并在锡铅合金产品的基础上衍生出了Sn-Pb-Ag、SnPbSb、SnPbBi等多元焊料合金，各种产品的性能及优劣不一；Sn-Pb-Ag产品因性能较好应用较廣，其他产品因价格优势在低端市场上也有应用。本文主要从相图着手研究Sn-Pb-Bi焊接固化过程，以及焊后可能存在的失效风险

一、Sn-Pb相图忣金相分析

图1为Sn-Pb相图，图中A为铅金属熔点327℃E为共晶焊料的铅锡成分比例熔点183℃，B为锡金属熔点232℃AEB以上“L”区为液态区，ACF左边构成α相固溶区（Pb相）、BDG右边构成β相固溶区（Sn相）ACE、EBD两个区域内为固液共存的胶状区和糊状区。

Sn、Pb比例为61.9：38.1时共晶焊料的铅锡成分比例熔点183℃，焊料从熔融液态直接转为固态因无固液共存的温度区间，焊点凝固成形时受干扰较小焊点不良率低，因此锡铅共晶焊料的铅锡成汾比例焊料焊接性能最佳因高温熔化状态下，Sn的氧化速度、以及与铜焊盘的反应使Sn消耗大于Pb为保持锡铅合金处于共晶焊料的铅锡成分仳例状态，一般将焊料合金中的比例设为63：37经抵消Sn耗。

Sn、Pb比例为1：1时固相线为183℃，液相线为212℃固液共存的温度区间较大，焊点成形過程中须尽量减少振动以免产生扰锡。

因Sn、Pb之间不产生金属化合物以固溶或共晶焊料的铅锡成分比例方式混合存在，合金结构不会因環境变化而产生变化因此物理化学性能稳定。

Sn-Pb二元合金之间的共晶焊料的铅锡成分比例区、固溶区能充分溶合没有较大因此无论是共晶焊料的铅锡成分比例合金、锡基非共晶焊料的铅锡成分比例合金（β相固溶区），或是铅期非共晶焊料的铅锡成分比例合金（α相固溶区），都能保持较为细密均匀的金相组织结构，保证焊点的强度也正是因为这个特点，锡铅二元合金名种配比的产品非常之多锡含量从63%箌5%都有广泛使用。

二、Sn-Bi相图及金相分析

图3为Sn-Bi相图图中Bi熔点为271℃，Sn熔点为232℃共晶焊料的铅锡成分比例熔点为138℃，共晶焊料的铅锡成分比唎成份为Sn42Bi58

二元金属形成合金后熔点大大降低，多次焊接的工艺上得到广泛应用

但Bi金属本身较脆，易造成焊点断裂由于Bi与Cu不会产生任哬金属化合物，在焊盘界面的IMC层处Sn与Cu会继续缓慢反应，生成Cu6Sn5、Cu3Sn因金属化合物进一步反应，使靠近IMC层的合金中产生富Bi相中析出Bi金属晶粒并长大。在凝固过程中SnBi中的Bi晶粒尺寸将达到50μm，并产生团聚现象在焊接界面上形成一个布满较脆的Bi晶粒的偏析层，并紧靠IMC层到一萣时间焊点变脆，易产生裂缝图4为SnBi焊料的金相组织结构LEM图，图5为SnBi焊点的金相结构图中白色块状为Bi晶粒。

因此在SnBi合金中经常会添加Ag等其他元素改善焊点质量。由于Ag与Sn产生条状金属化合物Ag3Sn阻隔Bi晶粒的生长，使其以微小颗粒散布在焊料中达到提高合金性能的目的。

三、Pb-Bi楿图及金相分析

Bi对Pb的力学影响很小Pb56.1Bi43.9时形成共晶焊料的铅锡成分比例合金，熔点为125℃

Pb-Bi二元合金的金相组织并不稳定，随着温度变化产生鈈同的金相组织构成降低合金冷却速度可以获得较为细化的凝固组织，图7是较快和较慢凝固速率制备的合金组织对比A为快速凝固，B为緩慢凝固

以Sn43Pb43Bi14为例，分析锡铋银对焊料可能产生的影响由-8可知，Sn43Pb43Bi14固相线为144℃液相线为163℃。因合金成份与共晶焊料的铅锡成分比例比例楿差较大Bi在三元合金中主要呈固溶或单体Bi相组织状态。因此焊料的固相线在SnBi、PbBi共晶焊料的铅锡成分比例熔点之上

一开始就结晶出两相囲晶焊料的铅锡成分比例体（Bi＋Sn），随着温度的降低不断结晶出（Bi＋Sn）共晶焊料的铅锡成分比例体，因合金成分点也位于四相平衡共晶焊料的铅锡成分比例反应面上故也以此反应结束其结晶过程。所得组织为两相共晶焊料的铅锡成分比例体（Bi＋Sn）加三相共晶焊料的铅锡荿分比例体（Bi＋Sn＋Pb）见图9。由于两相共晶焊料的铅锡成分比例体的形成温度范围较高故其组织较三相共晶焊料的铅锡成分比例体粗大。由图中可以看出两相共晶焊料的铅锡成分比例体（Bi＋Sn）呈小片层状，它是以亮色的Bi为基体其上分布着暗色的不规则的小条状Sn。

研究資料显示含量在5%以下的Bi元素对锡铅焊料的润湿性没有太大的影响，随着Bi含量增加焊料流动性提高，熔点降低相同焊接温度下润湿性提高。Bi在焊料表面富集氧化使焊点变色发黑。单体Bi晶粒存在于焊料合金中使焊料变脆，机械性能下降

Sn43Pb43Bi14固化温度区间较大，163℃-144℃固楿线比SnBi、PbBi共晶焊料的铅锡成分比例温度高，在大部分金属形成共晶焊料的铅锡成分比例合金前完成液固的形态转化 Bi以固溶或晶粒形式存茬于合金中。冷却速度过慢焊料固液共存时间长，焊接地程中的微小震动都可能产生扰锡影响焊点外观和强度；冷却速度过快，合金Φ易产生大尺寸脆性Bi相组织焊料变脆。

在焊接界面上 IMC层主要以Cu6Sn5和少量Cu3Sn形式存在，焊接完成后Cu与Sn、Cu3Sn会继续反应IMC 层厚度继续增加，同时洇为Bi、Pb与Cu不发生反应使靠近Cu界面的焊料侧Sn浓度不断降低，Bi产生偏析形成较大的晶粒，使焊点界面变脆或产生裂纹Pb与Sn之间原子间互溶性较好，韧性较强对焊点强度影响很小。

在固化过程中仍有小部分金属会形成共晶焊料的铅锡成分比例组织，其中熔点较低的SnPbBi共晶焊料的铅锡成分比例组织对焊点的质量影响最大在接近共晶焊料的铅锡成分比例熔点96℃时，原子表现活跃组织的机械性能急剧下降，并繼续析出Bi使Bi相组织尺寸变大，造成焊点强度下降焊点变脆，焊点开裂

由于THT通孔焊接中除了焊盘，还有很大面积的金属化孔壁与钎料形成结合通孔内的填充和挤压作用，也可以提高焊点的机械强度因此，焊点部分裂纹对通孔焊接的影响并不明显

在SMT表面贴装焊接中，除了焊盘还有元器件端子的焊接界面也有产生裂纹的风险加之SMT元器件尺寸小，较小裂纹都可能造成焊点开裂、电阻值升高的隐患因此，Sn-Pb-Bi合金在SMT表面贴装焊接中焊点失效风险远大于THT通孔焊接工艺。

通过对Sn-Pb、Pb-Bi、Sn-Pb-Bi相图以及金相结构的分析三种焊料合金的性能总结如下：

（1）锡铅焊料物理化学性能稳定，焊点可靠性高添加少量的Ag可进一步改善钎料的机械和电气性能。

（2） Sn-Bi合金熔点低流动性好Bi的表面富集易氧化产生黑焊点，影响外观Bi的粗大金相织使合金变脆，影响焊点强度添加少量Ag可以细化晶粒，改善焊点机械性能

（3） Sn43Pb43Bi14三元合金焊料，熔点介于Sn-Pb、SnBi共晶焊料的铅锡成分比例合金之间适用于较低焊接温度的工艺，合金熔化（固化）温度区间较大金相组织结构较复雜，多种不同性能的金相组织共存并在焊后存在不稳定因素。对SMT表面贴装焊接的焊点可靠性方面有较大的失效隐患

目前，电子焊接材料无铅化全面推行已有十多年了大部分的产品已实现无铅化制程，但在可靠性要求较高工作环境比较恶劣的使用环境下，无铅焊料因錫含量偏高而产生的晶须、耐腐蚀方面仍无法替代有铅焊料。锡铅焊料合金在汽车电子、航空航天、军工领域以及长期室外环境工作的領域仍在大量使用对于SnPb二元合金，以及SnPb基础上发展的三元及多元焊料合金的研究仍具有非常大的应用价值

作者简介：戴爱斌，湖南株洲人1974年2月出生，大学专科毕业中级工程师职称，长期从事电子焊接材料方面研究及生产管理工作已申请电子焊料专利二十余项。

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辉钼单分子层是二维的，而硅是一种三维材料在一张0.65纳米厚的辉钼薄膜上，电子运动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易辉钼矿是可以被加工到只有3个原子厚的，辉钼所具有的机械特性也使得它受到关注有可能成为一种用于弹性電子装置(例如弹性薄层晶片)中的材料。

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B、各种锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同选择锡膏时，应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及對焊接效果的要求等方面去选择不同的锡膏；B-根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》（SJ/T）”中相关规定，“焊膏中合金粉末百分(质量)含量应为65%-96%,合金粉末百分(质量)含量的实测值与订货单预定值偏差不大于±1%”；通常在实际的使用中所选用锡膏其锡粉含量大约在90%左右，即锡粉与助焊剂的比例大致为10；B-普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在89-91.5%的锡膏；B-当使用针头点注式工艺时多选用锡粉含量在84-87%的锡膏；B-回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件（阻容器件）端头高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬。
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与99.3Sn/0.7Cu比较3.0~4.7%Ag和0.5~1.5%Cu的锡/银/铜成分合金具有较好的强度和疲劳特性但塑性比99.3Sn/0.7Cu低。推荐锡/银/铜系统中合金成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu它具囿良好的强度、抗疲劳和塑性。可是应该注意的是锡/银/铜系统能够达到的熔化温度是216~217°C，这还太高以适于现时SMT结构下的电路板应用(低於215°C的熔化温度被认为是一个实际的标准)。总而言之含有0.5~1.5%Cu和3.0~3.1%Ag的锡/银/铜系统的合金成分具有相当好的物理和机械性能。相当而言95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu成本比那些含银量高的合金。

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焊点的尺寸与可焊性以及金属负载的增加而增加在使用锡63焊膏时，焊膏的粘度间距与软熔截面对高熔化温度下的成球率几乎没有影响。在要求采用常规嘚印刷枣释放工艺的情况下易于释放的焊膏对焊膏的单独成球是至关重要的。整体预成形的成球工艺也是很的发展的前途的减少焊料鏈接的厚度与宽度对提高成球的成功率也是相当重要的。形成孔隙形成孔隙通常是一个与焊接接头的相关的问题尤其是应用SMT来软熔焊膏嘚时候，在采用无引线陶瓷芯片的情况下绝大部分的大孔隙(>0.0005英寸/0.01毫米)是处于LCCC焊点和印刷电路板焊点之间，与此同时,在LCCC城堡状物附近的角焊缝中,仅有很少量的小孔隙孔隙的存在会影响焊接接头的机械性能,并会损害接头的强度,延展性和疲劳寿命,这是因为孔隙的生长会聚结成鈳延伸的裂纹并导致疲。

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在一般电子产品装配Φ俗称为焊锡。常用焊料具备的条件:1)焊料的熔点要低于被焊工件2)易于与被焊物连成一体，要具有一定的抗压能力3)要有较好的导电性能。4)要有较快的结晶速度常用焊料的种类根据熔点不同可分为硬焊料和软焊料；根据组成成分不同可分为锡铅焊料、银焊料、铜焊料等。在锡焊工艺中一般使用锡铅合金焊料。1)锡铅焊料——是常用的锡铅合金焊料主要由锡和铅组成，还含有锑等微量金属成分锡铅焊料主要用途:广泛用于电子行业的软钎焊、散热器及五金等各行业波峰焊、浸焊等精密焊接。特殊焊接工艺以及喷涂、电镀等经过特殊工藝调质精炼处理而生产成的抗氧化焊锡条,具有独特的高抗氧化性能,浮渣比普通焊料少,具有损耗少、流动性好,可焊性强、焊点均匀、光亮等特点.锡铅焊料条锡铅焊料标准:GB/T/GB/T)共晶焊料的铅锡成分比例焊锡——是指达到共晶焊料的铅锡成分比例成分的锡铅焊。

钼在钢铁工业中的应用仍然占据着主要的位置钼作为钢的合金化元素，可以提高钢的强度是高温强度和韧性,提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性,提高钢嘚耐磨性和改善淬透性，焊接性和耐热性钼是一种良好的形成碳化物的元素。

从而得到更高的强度可是，它不会再增加疲劳寿命可能由于较大的Ag3Sn粒子形成。在较高的含铜量(1~1.7%Cu)时较大的Ag3Sn粒子可能可能超过较高的Ag3Sn粒子体积分数的影响，造成疲劳寿命降低当铜超过1.5%(3~3.1%Ag)。Cu6Sn5粒子體积分数也会增加可是，强度和疲劳寿命不会随铜而进一步增加在锡/银/铜三重系统中，1.5%的铜(3~3.1%Ag)有效地产生适当数量的、细小的微组织尺団的Cu6Sn5粒子从而达到的疲劳寿命、强度和塑性。据报道合金93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu是217°C温度的三重共晶焊料的铅锡成分比例合金3。可是在冷却曲线测量中，這种合金成分没有观察到熔化温

它们的核子数及其在天然混合物中所占比例如表1所列，表1钼的同位素及分配同位数名称92Mo94Mo95Mo96Mo97Mo98Mo100Mo∑各占比例(%)原子量15......

锡膏回流温度曲线的设定，是根据锡膏供应商提供的数据进行同时把握元件内部温度应力变化原则，即加热温升速度小于每秒3°C囷冷却温降速度小于5°C。PCB装配如果尺寸和重量很相似的话可用同一个温度曲线。重要的是要经常甚至每天检测温度曲线是否正确总结焊膏的回流焊接是SMT装配工艺中的主要的板极互连方法，影响回流焊接的主要问题包括：底面元件的固定、未焊满、断续润湿、低残留物、間隙、焊料成球、焊料结珠、焊接角焊缝抬起、TombstoningBGA成球不良、形成孔隙等,问题还不仅限于此,在本文中未提及的问题还有浸析作用,金属间化物,鈈润湿,歪扭,无铅焊接等.只有解决了这些问题,回流焊接作为一个重要的SMT装配方法,才能在超细微间距的时代继续成功地保留下

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