錫鉛焊料合金

錫在常溫下耐氧化性好，是一種質(zhì)地軟、延展性好的低熔點(diǎn)金屬；鉛不但化學(xué)性能穩(wěn)定，抗氧化、耐腐蝕，而且是軟質(zhì)金屬，塑造性、鑄造性、潤(rùn)滑性好，很容易加工成型；

鉛與錫有良好的互溶性，在錫中添加不同比例的鉛能組成高、中、低溫各種用途的焊料；

特別是 63Sn-37Pb共晶焊料，其導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械特性和工藝性都非常優(yōu)異，熔點(diǎn)低，焊點(diǎn)強(qiáng)度高，

是一種極為理想的電子焊接材料。因此，63Sn-37Pb共晶錫鉛焊料是近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)最主要的電子焊接材料。 

Sn可與 Pb、Ag、Bi、In 等金屬元素組成高、 中、低溫各種用途的焊料,見(jiàn)表 3-3。

表3-3 常用的錫鉛焊料合金組分及其固相線、液相線溫度

錫的基本物理和化學(xué)特性

錫是銀白色有光澤的金屬，常溫下耐氧化性好，暴露在空氣中仍能保持光澤度；其密度為7.298g/cm3(15℃), 熔點(diǎn)為 232℃, 是一種質(zhì)地軟、 延展性好的低熔點(diǎn)金屬。

1.錫的相變現(xiàn)象

錫的相變點(diǎn)為 13.2℃。高于相變點(diǎn)溫度時(shí)是白色β-Sn；低于相變點(diǎn)溫度時(shí)開(kāi)始變成粉末狀。發(fā)生相變時(shí)體積會(huì)增加 26%左右。

低溫錫相變將使釬料變脆，強(qiáng)度幾乎消失。在-40℃附近相變速度最快，低于-50℃時(shí)，金屬錫變?yōu)榉勰畹幕义a。因此，純錫不能用于電子組裝。

2.錫的化學(xué)性質(zhì)

① 錫在大氣中有較好的抗腐蝕性，不容易失去光澤，不受水、氧氣、二氧化碳的作用。

②錫能抗有機(jī)酸的腐蝕，對(duì)中性物質(zhì)來(lái)說(shuō)，有較高的抗腐蝕性。

③錫是一種兩性金屬，能與強(qiáng)酸和強(qiáng)堿起化學(xué)反應(yīng)，不能抗氯、碘、苛性鈉和堿等物質(zhì)的腐蝕。因此對(duì)于那些在酸性、堿性、鹽霧環(huán)境下使用的組裝板，需要三防涂覆保護(hù)焊點(diǎn)。

3.液態(tài)錫的易氧化性

錫在固態(tài)時(shí)不易氧化，然而在熔化狀態(tài)下極易氧化，生成黑色的 SnO。溫度越高，錫的流動(dòng)速度越快，氧化速度也越快。錫基焊料的防氧化措施如下。

①加入防氧化油。

②使用活性炭類的固體防氧化劑。

③使用防氧化焊料。

④采用N?保護(hù)，或采用氣相(相當(dāng)于真空)焊接。

4. 浸析現(xiàn)象

浸入液態(tài)焊料中的固體金屬會(huì)產(chǎn)生溶解，生產(chǎn)中將這種現(xiàn)象稱為浸析現(xiàn)象或溶蝕現(xiàn)象，俗稱“被吃”。

金、銀、銅等金屬元素在液態(tài)錫基焊料中均有較高的溶解速度，如圖3-1(a)所示。

影響浸析的因素主要有被焊金屬合金元素與焊料合金元素之間的親和力和互溶性、焊料的溫度、流動(dòng)速度等。溫度上升，溶解速度增大； 焊料流動(dòng)速度增大，溶解速度也增大。

在波峰焊中，銅的浸析很嚴(yán)重；再流焊時(shí)也可能發(fā)生浸析現(xiàn)象。例如，在焊接銀-鈀合金端電極的片式元件時(shí)，銀-鈀電極中的銀會(huì)溶解到錫基焊料中，焊后造成端頭脫落，俗稱“脫帽”現(xiàn)象。

通常在 Sn-Pb焊料中添加2%左右的 Ag可以減輕浸析現(xiàn)象。這是由于在錫基焊料中有了一定濃度Ag，可以減慢端頭中 Ag 在熔融錫基焊料中的溶解速度。

5. Sn和許多金屬元素容易形成金屬間化合物

正是由于這一特性，使 Sn能夠與多種金屬在幾秒鐘內(nèi)完成擴(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合，形成焊點(diǎn)。

但也是因?yàn)檫@一特性，容易使金屬間化合物生長(zhǎng)過(guò)快，造成焊點(diǎn)界面金屬間化合物厚度過(guò)厚而使焊點(diǎn)變脆、機(jī)械強(qiáng)度變差，導(dǎo)致焊點(diǎn)提前失效。

6.錫的晶須問(wèn)題

晶須(Whisker) 是指從金屬表面生長(zhǎng)出的細(xì)絲狀、針狀單晶體，它能在固體物質(zhì)的表面生長(zhǎng)出來(lái)。

Sn 晶須主要發(fā)生在元器件引腳和焊端表面電鍍層上。錫晶須增長(zhǎng)會(huì)引發(fā)窄間距 QFP發(fā)生短路故障，引起電子產(chǎn)品可靠性問(wèn)題。

Sn晶須的產(chǎn)生原因、危害、 形態(tài)等.

抑制Sn晶須生長(zhǎng)的措施：

①措施1：鍍暗Sn。鍍Sn不加增光劑(鍍暗Sn)，對(duì)抑制 Sn晶須生長(zhǎng)有一定效果。

②措施2：熱處理。表面鍍層的熱處理有 3 種方法：退火、熔化和回流。鍍Sn 后放在烘箱中烘150℃/2h 或170℃/1h,可達(dá)到退火的作用;

不采用電鍍,采用熱浸(Hot Dip);鍍Sn后回流一次，可以將鍍層熔化再凝固。

③措施3：中間鍍層。中間鍍層是指在鍍 Sn前先鍍一層其他金屬元素作為阻擋層，然后再鍍Sn。最常用的中間鍍層材料為 Ni。

④ 措施4: 鍍層合金化。在Sn中添加Pb、Ag、 Bi、 Cu、Ni、Fe、Zn等金屬元素可以有效抑制Sn晶須生長(zhǎng)。大都采用Sn-Ni鍍層， 日本、韓國(guó)的無(wú)鉛元件有采用Sn-Bi鍍層的。

⑤措施5：增加鍍Sn層厚度。一般鍍Sn層厚度增加到8~10μm。

3.1.2 鉛的基本物理和化學(xué)特性

鉛是一種藍(lán)灰色金屬，新暴露在空氣中的鉛表面有光亮的金屬光澤，很快呈暗灰色。密度為11.34g/cm3，熔點(diǎn)為 327.4℃。

鉛的密度大，膨脹系數(shù)大，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能比錫差，因此純金屬鉛不宜用于電子裝聯(lián)。

鉛的化學(xué)性能穩(wěn)定、抗氧化、耐腐蝕，與錫有良好的互溶性，焊點(diǎn)表面很光滑。

3.1.3 63Sn-37Pb錫鉛共晶合金的基本特性

1. 密度

Sn-Pb共晶合金的密度為8.5g/cm3。

2. 相變溫度

從Sn-Pb合金二元金相可以看出，在所有的 Sn-Pb合金配比中，只有63Sn-37Pb合金配比有共晶點(diǎn)，

所以63Sn-37Pb配比的Sn-Pb合金稱為共晶合金。對(duì)于 Sn/Pb共晶合金的組分，國(guó)際上也有微量的差異，

有的研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為是62.7Sn-37.3Pb，有的研究機(jī)構(gòu)(日本) 認(rèn)為是 61.9Sn-38.1Pb, 

目前大家都把 63Sn-37Pb稱為共晶合金。

在應(yīng)用中，液相線溫度等于熔點(diǎn)溫度，固相線溫度等于其軟化溫度。對(duì)于給定的合金成分，在液相線和固相線之間的溫度范圍是液相和固相共存范圍，

被認(rèn)為是塑性范圍或黏稠范圍。液相線溫度與固相線溫度相等的合金組分，稱為共晶合金，此溫度稱為共晶點(diǎn)或共晶線。共晶合金在升溫時(shí)只要到達(dá)共晶點(diǎn)溫度，立即從固相變成液相；

反之，冷卻凝固時(shí)只要降到共晶點(diǎn)溫度，立即從液相變成固相。因此共晶合金在熔化和凝固過(guò)程中沒(méi)有塑性范圍。

合金凝固溫度范圍對(duì)焊接的工藝性和焊點(diǎn)質(zhì)量影響極大，塑性范圍大的合金，在合金凝固、形成焊點(diǎn)時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間。

如果在合金凝固期間 PCB 和元器件有任何振動(dòng)，都會(huì)造成“焊點(diǎn)擾動(dòng)”.有可能會(huì)使焊點(diǎn)開(kāi)裂。因此，選擇焊料合金時(shí)應(yīng)盡量選擇共晶或近共晶合金。

大多數(shù)冶金專家建議將塑性范圍控制在 10℃以內(nèi)。為了保證焊點(diǎn)在最惡劣環(huán)境下的可靠性，建議焊料合金的液相線溫度(熔點(diǎn))應(yīng)至少高于工作溫度上限值的兩倍。

3.電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是物質(zhì)傳送電流的能力。63Sn-37Pb共晶合金的電導(dǎo)率較高，達(dá)到11.6mS/cm.

4.熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率高，導(dǎo)熱性好。焊料的熱導(dǎo)率隨溫度的增加而減小。

5.熱膨脹系數(shù)(CTE)

CTE 是 SMT業(yè)界關(guān)注和努力改進(jìn)的問(wèn)題。PCB、焊料、元器件焊端或引線的 CTE 不匹配將增加焊點(diǎn)上的應(yīng)力和應(yīng)變，縮短焊點(diǎn)的壽命，導(dǎo)致早期失效。

6.黏度與表面張力

黏度與表面張力是潤(rùn)濕性的重要性能。

7.冷凝收縮現(xiàn)象

表3-4 63Sn-Pb37合金的物理性能

3.1.4 鉛在焊料中的作用

① 降低熔點(diǎn)，有利于焊接。

②改善機(jī)械性能，提高錫鉛合金的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

③降低表面張力和黏度，增大液態(tài)焊料的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性。

④ 抗氧化。鉛是穩(wěn)定的金屬，不易氧化，使焊點(diǎn)抗氧化性能增加。

⑤鉛的潤(rùn)滑性使 Sn-Pb焊膏印刷時(shí)有一定的潤(rùn)滑作用。

⑥錫中加入鉛可以避免灰錫的影響。

⑦避免產(chǎn)生晶須，含錫量在70%以下的各種錫一鉛焊料，都可以避免錫晶須的產(chǎn)生。

3.1.5 錫鉛合金中的雜質(zhì)及其影響

①鋅(Zn)含量達(dá)到0.01%時(shí)，焊料的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性變差，明顯影響焊點(diǎn)的外觀。

②鋁(A1)含量達(dá)0.001%時(shí)，影響焊料的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，而且容易發(fā)生氧化和腐蝕。

③鎘(C4) 具有降低熔點(diǎn)的作用，并能使焊料的品粒變得粗大而失去光澤。鎘含量超過(guò)0.001%，就會(huì)降低流動(dòng)性，焊料會(huì)變脆。

④銻(Sb)可使焊料的機(jī)械強(qiáng)度和電阻增大，當(dāng)其含量在0.3%~3%時(shí)，焊點(diǎn)成型極好；如果含量在6%以內(nèi)，不但不會(huì)出現(xiàn)不良影響，

還可以使焊點(diǎn)的強(qiáng)度增加，增大焊料的蠕變阻力，

所以可用在高溫焊料中。但是，當(dāng)含量超過(guò)6%時(shí)，焊料會(huì)變得脆而硬，流動(dòng)性和潤(rùn)濕性變差，抗 腐蝕性減弱。

另外，含銻的焊料不適于含鋅的母材。

⑤銅(Cu) 的熔點(diǎn)高，能夠增大結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)其含量在 1%以內(nèi)時(shí)，會(huì)使蠕變阻力增加。焊料中含有少量的銅可以抑制焊錫對(duì)電烙鐵頭的熔蝕，但銅含量超過(guò) 1%會(huì)使焊料熔點(diǎn)上升，流動(dòng)性變差，焊點(diǎn)易產(chǎn)生拉尖、橋接等缺陷，因此銅含量是經(jīng)常檢測(cè)的項(xiàng)目。

⑥鐵(Fe) 可使焊料熔點(diǎn)增高，不易操作，還會(huì)使焊料帶上磁性。

⑦鉍(Bi)可使焊料熔點(diǎn)下降并且變脆。

⑧砷(As)即使含量很少也會(huì)增大硬度和脆性，影響焊點(diǎn)外觀，但可使流動(dòng)性略有提高。

⑨磷(P)含量過(guò)大時(shí)會(huì)溶蝕烙鐵頭，微量磷能夠增加焊料的流動(dòng)性。

錫鉛焊料合金中雜質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)容許限值見(jiàn)表3-5。

表3-5 錫鉛焊料合金中有害雜質(zhì)含量一覽表(J-STD-006)