无铅焊料的热疲劳特性
无铅焊料研究报告综述
无铅焊料研究报告综述无铅焊料是一种对环境友好且高效的焊接材料。
本文将综述无铅焊料的研究报告，涵盖其背景、特性、应用和发展趋势。
总体而言，无铅焊料是一种有希望替代传统铅基焊料的焊接技术。
1.背景无铅焊料的研发是为了减少对环境的污染。
传统的铅基焊料含有大量的铅，当焊接过程中铅被释放到环境中时，对人体健康和环境造成了潜在的危害。
为了保护人类和环境的健康，全球范围内开始研发无铅焊料。
2.特性无铅焊料具有一系列优点。
首先，无铅焊料在高温下的性能比传统铅基焊料更好，可以在更高的温度下进行焊接，提高了焊接的质量和可靠性。
其次，无铅焊料不会产生有毒的铅蒸汽，避免了对工人和环境的污染。
此外，无铅焊料还具有较低的成本和更长的寿命，使其变得更加可行和具有竞争力。
3.应用无铅焊料广泛应用于电子产品的制造过程中。
例如，它可以用于手机、电脑、电视和其他电子设备的电路板的焊接。
无铅焊料还可用于汽车制造、航空航天、医疗器械和其他领域的焊接。
4.发展趋势无铅焊料的研究和应用仍在不断发展。
研究人员正在寻找更好的无铅焊料配方，以提高其性能和可靠性。
此外，随着全球对环境保护要求的提高，无铅焊料将会得到更广泛的应用。
目前，一些国家已经颁布了禁止使用铅基焊料的法律和法规，促使了无铅焊料的市场需求。
总结起来，无铅焊料是一种有希望替代传统铅基焊料的焊接技术。
它具有环境友好、高效和广泛应用的特点。
随着全球对环境保护意识的提高，无铅焊料的研究和应用将会得到更大的关注和发展。
无铅焊料的性能及作用
电子组装对无铅焊料的性能要求
• 1、无铅焊料的熔点要低：从前面的内容 知道，除Sn-Bi系及Sn-In合金外，所有的 无铅焊料的熔点温度都高于Sn63Pb37合 金的熔点温度，这将对工艺、设备、材 料等方面带来很大的不良影响，因此开 发出的无铅焊料，应当有较低的熔点温 度。
2、无铅焊料要有良好的润湿性；无铅焊料表面张力比 有铅焊料高，其扩散率比锡铅焊料低，不利于焊点的形 成，得到的焊点形状不圆润饱满，弯月面小，严重的还 会造成虚焊。润湿性差，这对锡膏印刷工艺的要求更高， 增加了工艺的难度。无铅焊料获得的焊点外观粗糙，表 面粗糙很难清洗干净，就会影响电性能。如果使用传统 的AOI进行检查，由于漫反射光无法正常识别。因此要 求无铅焊料要有良好的润湿性。一般情况下，再流焊时 焊料在液相线以上停留的时间为30-90秒，波峰焊时被焊 接组件管脚及线路板基板面与锡液波峰接触的时间为4 秒左右，使用无铅焊料以后，要保证在以上时间范围内 焊料能表现出良好的润湿性能，才能保证优质的焊接效 果。
Sn-Ag-Cu三元合金
• 在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持SnAg合金良好性能的同时稍微降低熔点， 而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中 铜的溶蚀，因此逐渐成为国际上标准的 无铅焊料。图5-12为Sn-Ag-Cu三元合金 状态图。锡银铜系焊料有着良好的物理 特性。
Sn-Bi系及Sn-In合金
•同时液固共存领域大，焊料易发生半月 面提升现象。另外Bi在焊接过程中会出现 枝装晶偏析。研究结果表明：在Sn-20Bi 为基体的合金,添加0.7%的Ag、0.1%的In 可以使Bi的偏析稍有改善,使Bi细小分散。 In虽然价格高，但是其自身的熔点为 156℃，可以用作低熔点焊料。该合金塑 性也非常好。含In合金的另一个特征是具 有抑制Ag或Au溶蚀的优点。在需要更低 熔点的情况下使用。
浅析无铅焊接工艺技术
浅析无铅焊接工艺技术
无铅焊接工艺技术是当前电子行业追求环保的重要举措之一，它是用无铅焊料代替传统的含铅焊料来进行电子组件的连接。
无铅焊接技术的使用有以下几个优点：
1. 健康环保：含铅焊料可能会对健康和环境造成污染，但是无铅焊料的使用就减少了铅对环境的污染和对人体的伤害。
2. 耐热性：无铅焊料的耐热性能更高，能够满足现代电子元件的高温需求。
3. 焊点强度：无铅焊料的焊点强度更好，能够满足现代电子设备各种复杂形状的连接要求。
无铅焊接工艺技术具体包括以下几个方面：
1. 焊接温度的控制
无铅焊料的熔点比含铅焊料高，因此在使用无铅焊料时需要将焊接温度控制在适当的范围内，以确保焊点的质量。
3. 焊接设备和材料的选用
应选用高质量的焊接设备和材料，以确保无铅焊接的质量。
4. 操作技巧的掌握
无铅焊接工艺技术需要具备一定的技巧，包括正确选择焊接设备和材料、掌握焊接时温度和时间的控制等。
综上所述，无铅焊接工艺技术的应用可以大大减少环境污染和对人体的危害，同时也可以提高焊接强度和耐热性能，是电子行业环保发展的重要步骤。
无铅焊料特性及应用研究
3.关于无铅焊锡要求 .专利权 .合适的熔接温度 ＜260℃的PCB回焊、波焊温度 .良好的润湿性 .氮气可以不使用 .加工性 锡丝制造等 .适当之Creep .适当焊接强度 .良好的耐热性 .焊接性能 空洞、桥连 .环保 不破坏环境、毒性 .价格低廉 价格=Sn/Pb
3.无铅焊锡之进程 1.从纯锡到Sn/Ag/Cu 2.各种无铅焊锡之优缺点 3.无铅焊锡Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5与Sn63/Pb37共晶焊锡特性比较 4.温度与热 5.无铅化焊锡选择 6.结论
但是从经济方面考虑，则予以用在波峰焊接中，因为其润湿性和纯锡相 近，不是很好，故较难期待能有效通过“导通孔”，而仅适用于单面板。
粗大的Cu6Sn5结晶形成于焊锡内，也是机械性能劣化的主要原因，促使 Cu6Sn5结晶的细化，可加入Ag、Ni。Au等第三元素。
高温置放，结晶体也不会粗化，故Sn/Ag耐热性特优。 .Ag含量增加， Ag3Sn颗粒粗化且分散于β-Sn中，成为微细的网状结构 .但当Ag＞4%时，机械性能开始劣化， Ag3Sn结晶粗化成＞10μm，此尺寸
约等于龟裂大小。因此，性能度较高的合金组织，因避免结晶粗化成 ＞10μm。
（1）Bi的添加
（4）Zn的添加
在Sn/Ag无铅系统中，Zn的加入可以使结晶颗粒微细化，增加强度与 Creep特性，另一方面此合金表面容易形成氧化膜，促使润湿性降低， 焊接难度增加。
2.2.2Sn/Bi合金系统的组织与性质
依据相图判断，Bi ＜2%时虽应该不会产生共晶组织，但是，Bi极易在 Sn中产生“偏析”。Bi即使是在低浓度的环境中，也容易出现共晶组 织。此即固、液相线温差，在焊料冷却时会产生“凝固偏析”现象。 在80℃时是十分安定的合金组织，超过140℃，Bi即形成极端粗化，变 脆，这是因为于139℃共晶反应，这很难从相图直接了解原因。
无铅焊料及相应工艺
03
无铅焊料的工艺流程
焊前准备
清洁
01
确保焊料和焊接表面的清洁，去除油渍、氧化层和其他杂质，
以提高焊接质量。
预热
02
对焊接表面进行预热，以降低焊料的凝固点和提高焊接速度。
选择焊料
03
根据具体应用需求选择合适的无铅焊料，确保其具有良好的流
动性和润湿性。
焊接过程
熔融焊料
将焊料加热至熔融状态，使其具有良好的流动性。
04
无铅焊料的发展趋势和 挑战
技术发展趋势
高可靠性
无铅焊料需要具备更高的可靠性和耐久性，以满足电子产品不断升 级的性能要求。
高导热性
随着电子设备高功率化的发展，无铅焊料需要具备更高的导热性能， 以降低热阻和散热不良的风险。
小型化
随着电子设备小型化的发展，无铅焊料需要具备更小的体积和更精细 的微结构，以满足焊接细小部件的需求。
机械特性
硬度与强度
无铅焊料的硬度与强度较高，能 够提供更好的机械保护和支撑作
用。
疲劳性能
无铅焊料的疲劳性能优于传统锡铅 焊料，能够更好地承受循环载荷和 振动。
延展性与韧性
无铅焊料的延展性和韧性较好，能 够更好地吸收和分散应力，减少焊 接点的断裂风险。
02
无铅焊料的应用领域
电子工业
电子元件连接
波峰焊接
无铅焊料及相应工艺
contents
目录
• 无铅焊料的特性 • 无铅焊料的应用领域 • 无铅焊料的工艺流程 • 无铅焊料的发展趋势和挑战
01
无铅焊料的特性
物理特性
01
02
03
熔点范围
无铅焊料的熔点范围通常 比传统锡铅焊料高，一般 在200-300℃之间。
无铅焊料1
无铅焊料常见无铅焊料合金性能介绍无铅焊料成为电子组装行业的主要焊接材料。
无铅焊料地发展过程中，各种各样的无铅焊料不断涌现，对于无铅焊料合金的组织结构特点和性能的了解就显的十分重要。
由于ROHS 指令和WEEE指令在欧洲会议获得批准，2006年7月开始欧洲将禁止含铅电子产品的销售，同时中国也开始进入了无铅化的时代，这都使无铅焊料成为了必然。
对于电子行业来说无铅焊料的选择成为了一个关键的问题。
为此，材料界进行了大量的研究工作，试图找出可以替代Sn－Pb焊料的无铅焊料。
现在各种系别组成的无铅焊料合金有很多种，其中主要有：Sn －Ag、Sn－Zn、Sn－Bi、Sn－Cu等二元合金以及在此基础上添加其他合金元素形成的三元、四元乃至五元合金。
下面就对现今主要的无铅焊料合金组织结构及性能进行介绍。
Sn－Ag系列Sn－Ag系焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。
典型的组成比例是Sn96.5-Ag3.5，其熔点为221℃。
这种焊料所形成的合金组织是由不含银的纯β－Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。
添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。
随着Ag含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。
从强度方面来说，添加1-2％以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。
添加3％以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb 共晶焊锡要高，但超过3.5％以后，拉伸强度相对降低。
这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶。
形成粗大的金属间化合物不仅使强度降低，而且对疲劳和冲击性能也有不良影响，因此对Ag的含量和金属界面的金属间化合物要进行认真的考究。
在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点，而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中铜的浸析。
Sn－Ag－Cu无铅焊料是目前被认为最接近实用化的Sn－Pb焊料替代品，也是目前无铅焊料得首选。
电子设备无铅焊点的热疲劳工艺性分析与研究
内燃机与配件
电子设备无铅焊点的热疲劳工艺性分析与研究
党艳银
（江苏自动化研究所，连云港 222000）
摘要院 随着科学技术的不断进步，电子设备器件焊接的无铅化在经济社会中被广泛应用，但其使用过程中也产生了一些故障。其 中，表面贴装器件焊点失效，是造成电子设备故障的主要原因。本文对介绍了电子设备的无铅焊点的热疲劳情况，并进行了相关的工 艺性分析与研究。
2.3 Ag3Cu 颗粒分析 在电子设备的无铅焊点中，包含 Ag3Cu 颗粒，其颗粒 的形貌、组成结构以及数量等，都是影响 SnAgCu 焊点的 重要部分。实践表明，当 Ag3Cu 颗粒之间的距离比较大、颗 粒数量比较少，焊点的可靠性很难得到保障；而 Ag3Cu 颗 粒之间的距离比较小，颗粒的数量比较多，则可以抑制混 乱的状况，从而保障焊点的稳定性。现阶段有关 Ag3Cu 颗 粒对于焊点影响的完整理论体系仍不完善，Ag3Cu 颗粒与 焊点性能的内在联系也没有得到证实。 2.4 Sn 晶体取向及形貌分析 在电子设备的无铅焊点中，SAC 这种无铅焊点类型， 其主要是由 Sn 组成的。Sn 的主要结构为四边形，其在组 成 Sn 晶体的过程中，由于晶体方向难以控制，这种钎料的 物理性质及机械表现也存在很大的差异。总之，Sn 晶体的 取向问题，是影响 SAC 焊点性质的主要问题。同时，实验 表明 Sn 晶体的形状、大小以及其他性质，都会对 SAC 焊 点的热疲劳产生一定的影响。技术人员童工温度加速试 验，分析 Sn 晶体的性质，了解焊点早期与晚期的失效情 况。此外，应建立有关焊点的微观模型，为计算出焊点的热 疲劳寿命提供有价值的参考。 2.5 参数监测及特征损伤产量提取 通常情况下，在对相关参数进行检测以及提取焊点损 伤特征的过程中，都会使用电子显微镜对焊点部位进行扫 描。通过显微镜的观测的试验结果，对焊点部位出现裂纹 的情况及其拓展情况进行分析。同时，技术人员应对晶体
无铅焊料的热蠕变疲劳分析
无铅焊料的热蠕变疲劳分析1、输入条件按照-55℃～105℃循环，10分钟从-55℃升到105℃，恒定110分钟，20分钟降到-55℃，恒定40分钟。
一次循环时间为180分钟，一天8个循环其中：N f表示焊球热疲劳寿命，T s表示热循环平均温度，f表示一天内温度循环频率，根据温度载荷可知，最高温度为105℃，最低温度为-55℃，所以T s=25℃，一次温度循环时间约3h，所以f=8，求得c=-0.41877。
εf′为表示材料疲劳延性的材料参数，取εf′=0.325，∆γ数值通过有限元分析获取∆ε表示等效塑性应变范围，焊料在温循过程中，等效塑性应变的变化曲线如下图1 应变随时间变化曲线最大塑性等效应变为0.0553，最小塑性等效应变为0.0086（取断电后温度进入稳定状态时的最小应变值），∆ε=0.0463，∆γ=√3∆ε=0.080192带入计算得到N f=73.98（天），约1775.5h恒定温度105℃。
2、蠕变寿命蠕变疲劳和机械疲劳是两个概念，蠕变指的是结构在高于熔点的0.3倍的环境下工作时候，即使受力的大小不变，其应变也会持续增大，直到最后断裂。
具体分为三个阶段：初始蠕变或过渡蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；稳态蠕变、定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。
应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。
但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。
通过ANSYS进行热应力计算，结合nCode软件进行蠕变疲劳分析，分析流程如下所示，nCode提供专门的CAECreep求解器，采用Larson-Miller算法进行求解图2 nCode分析流程nCode中提供的蠕变LM曲线如下所示， nCode自带材料库可以给用户提供丰富的材料参数，同时同于也可以基于nCode提供的公式进行相关LM曲线的拟合。
无铅微焊点热疲劳特性分析及优化
无铅微焊点热疲劳特性分析及优化摘要近年来，人们越来越重视环境污染问题，还有在科技飞速发展的推动下，电子元件的封装采用了无铅焊料进行焊接，而且随着微电子产品向微型化、高性能方向发展，用于连接芯片与基板的微焊点尺寸也缩小到几十微米甚至几微米，目前最小的焊点已经达到十几微米。
然而微焊点所承载的力学、电学和热力学负荷却是越来越重,所以对微焊点的可靠性要求日益提高，但是就现在研究状况来看，人们对无铅微焊点抵抗破坏的能力以及热疲劳特性分析还不是很成熟，而且焊点的无铅化和微型化将是现在以及未来的重点研究方向，所以对无铅微焊点的研究具有重大意义。
本文主要对无铅微焊点的热疲劳特性进行分析研究，选用BGA的球栅阵列是焊点件进行了三维有限元数值模拟分析，选择焊点半径50-100微米之间，以Anand统一粘塑性本构方程描述无铅微焊点的粘塑性行为。
首先，研究微焊点在变化温度循环载荷下微焊点的等效应力和塑性应变的分布规律, 找出实体模型中最大应力和应变的微焊点位置。
其次，分析出最大应力焊点的等效应力周期性变化和应力应变滞后曲线。
最后，选取焊点直径、焊点高度、芯片厚度、PCB厚度四个对无铅微焊点热疲劳特性影响显著的因素进行四因素三水平的正交试验，并进行不同因素、不同数值下的最大应力分析，找出各因素对微焊点应力的影响趋势，找出其影响微焊点应力的主要因素，并对各因素影响大小进行排序，找出应力最小的微焊点尺寸，实现微焊点在结构上的优化。
为人们对电子元件的无铅微焊接封装方法和焊点尺寸的选择提供一些理论参考依据。
关键词：无铅微焊点、热疲劳特性、等效应力、塑性应变、正交试验Analysis and optimization of thermal fatigue properties for thelead free solder jointsStudent：LI Guo-man Teacher: DAI Xuan-junAbstract: In recent years, there is growing emphasis on environmental problems, as well as in promoting the rapid development of technology, electronic packaging using lead-free solder for welding, and with the miniaturization of microelectronics, high-performance direction, with micro size solder connecting the chip and the substrate is also reduced to tens of microns or even a few microns, the smallest solder has reached more than ten microns. However, the mechanical micro bumps carried, electrical and thermal load is getting heavier and heavier, so the reliability of solder joints slightly increasing, but for now study situation, people are lead-free solder resist micro damage capacity and thermal fatigue resistance analysis is not very mature, and lead-free solder and miniaturization will be the focus of current and future research directions, and therefore have great significance for the study of lead-free micro bumps.This paper focuses on the thermal fatigue properties of lead-free solder joints micro analysis and study, the choice of BGA solder ball grid array is a member of the finite element analysis of three-dimensional numerical simulation, choose between a radius of 50-100 micron pads to stick Anand unity plastic constitutive equations describing the micro bumps unleaded viscoplastic behavior. Firstly, micro bumps at varying temperature cycling load distribution of micro bumps equivalent stress and plastic strain to identify micro bumps position mock maximum stress and strain. Secondly, the equivalent stress and the cyclical changes in the solder joint stress maximum stress strain hysteresis curve. Finally, select the pad diameter, pad height, chip thickness, PCB thickness of four pairs of lead-free solder thermal fatigue characteristics of the micro-significant factors were four factors and three levels orthogonal experiment, and different factors under different values The maximum stress analysis to identify the factors on micro bumps stress of trends, identify the main factors which affect the micro bumps stress factors influence the size and sort, identify stress micro bumps the size of the smallest, to achieve micro joints in the structure optimization. For people to provide some theoretical basis for the electronic components and lead-free solder micro-welding method of packaging sizes to choose from.Key words：Micro lead-free solder joints; Thermal fatigue properties;Equivalent stress; Plastic strain;Orthogonal test目次摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 研究的目的和意义 (1)1.2 国内外研究现状及成果 (2)1.3 本文研究的内容 (3)2 相关的理论基础 (4)2.1 热应力与热疲劳理论 (4)2.2 ANSYS14.5热-结构耦合分析方法 (4)2.2.1 ANSYS的简介 (4)2.2.2 ANSYS14.5技术新特性 (4)2.2.3 ANSYS热分析原理 (5)2.2.4 瞬态热分析相关介绍 (5)2.3本章小结 (6)3 BGA 无铅微焊焊点热特性仿真分析 (7)3.1 BGA器件三维实体模型数据准备 (7)3.1.1 选择单元类型 (7)3.1.2 定义材料性能参数和Anand本构方程 (8)3.1.3 三维模型建立与网格划分 (9)3.2施加载荷与求解 (10)3.3后处理与结果分析 (11)3.3.1阵列微焊点的等效应力及等效塑性应变分布 (11)3.3.2温度循环过程中应力应变的动态特性 (12)3.3.3温度循环过程中等效塑性应变的动态特性 (13)3.3.4 无铅微焊点寿命预测 (15)3.4 本章小结 (16)4 无铅微焊点结构优化 (17)4.1 正交实验设计 (17)4.2正交试验结果分析 (18)4.2.1 均值计算及结果分析 (18)4.2.2各因素影响分析 (20)4.2.3 各因素的影响大小及最优尺寸组合 (20)4.3 本章小结 (21)5总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)1 绪论1.1 研究的目的和意义近年来，随着人们的生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高，人们开始高度重视环境污染问题，材料对环境的毒害问题也越来越受到人们的高度重视。
无铅焊料的热疲劳特性
无铅焊料的热疲劳特性对无铅焊料进行热疲劳研究是最近才开始的事情，至今还没有构成完整的寿命预测模型，美国NCMS (NationalCenterforManufacturingSciences）的Lead Free solder project 曾对无铅焊料的热疲劳特性作了大量的研究。
作为焊料接合部热疲劳特性的评价方法，有通过视力对疲劳开裂的评价方法、利用电阻值变化的计测方法、或通过剥离试验对接合部剩余强度进行测定的方法等，对有框架引线类的QFP、PLCC等大多采用剥离试验求出接合部剩余强度再进行评价的方法。
图6.1-图6.4是将QFP 通过Sn-3.5Ag-x系无铅焊料组装于基板后，经热循环测试的器件与基板接合强度变化，及各个循环数的接合强度在初始强度下的减少关系（表示单位mass %）采用的QFP 试件由图6.5 表示（引线间距0.65mm、线数100）。
QFP 的引线电镀了S n-20Pb ，热循环制订二种方式，-30℃-130℃温度范围（△T-160K ）和。
0℃-100 ℃温度范围（△T = l00K )，升降速度1.78K/min，保持时间10min，采用气相式温度循环试验机。
接合强度使用万能精密拉伸试验机，用0.5mm / min 的十字型滑块速度将引线框对着Cu 焊区垂直方向进行拉伸，在试验次数到30 次后，再用威伯尔曲线图计算出平均拉伸强度。
各焊料接合部的初始强度，除去合金Alloy H ( Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合强度都在其以上或同等。
Sn-3.5Ag在添加Bi 后，其接合强度有上升的趋势，在2%时其强度达到峰值，其它场合强度都表示了降低趋势，Alloy H 合金所显示的初始强度与其他合金相比是最低的。
在添加Cu 的场合，接合强度同样显示上升，到1%时，比Sn-37Pb 、Sn-3.5Ag 有更好的接合强度。
分析AT = 100 K 时各合金热循环和接合强度的关系，不难看出Sn-3.5Ag、添加Cu 后的接合强度下降趋势缓慢，而添加Bi 后，不管哪种合金都随着热循环数的增加接合强度明显下降，对添加Bi比较，Sn-3.5Ag 添加Cu、其强度下降非常少，即进入1200次循环后也不出现热疲劳损伤，具极优异的热疲劳抵抗性，而添加Bi 的合金焊料、其显示的接合强度，有的比Sn-37Pb还低。
无铅焊锡制程及其特性
无铅焊锡制程及其特性锡/铅（Ti n/Lead）成分的焊锡是电子装配中最常用的焊锡，可是，在去年，整个工业出现一股推动力向无铅焊锡转换。
其理由是人们越来越了解有关铅的使用及其对人类健康的不良影响。
与铅有关的健康危害包括神经系统和生育系统紊乱、神经和身体发育迟缓。
铅中毒特别对年幼儿童的神经发育有危害。
已有法律来控制铅的使用，例如，铅在铅锤、汽油和油画中的使用有严格的规范，在美国从1978年起，铅在消费油画中的使用已被禁止，其它相关的法规在美国、欧洲和日本正在孕育之中。
表一显示了铅在各种产品中的使用量，蓄电池占铅用量的80%，电子焊锡大约占所有铅用量的0.5%，即使铅在电子焊锡中的使用被禁止，也不能解决全部的铅中毒问题。
可是，电子焊锡中的0.5%的铅数量上还是可观的。
代替铅的元素电子工业正在寻找无铅焊锡，能够取代普遍接受和广泛使用的锡/铅焊锡。
研究与开发的努力集中在潜在的合金上面，这种合金要提供与锡/铅共晶焊锡相似的物理、机械、温度和电气性能。
表二是可以取代铅的金属及其相对成本。
表二、替代铅的材料及其相对价格除了成本之外，还必须了解考虑作为铅替代的元素的供需情况。
如表三所示, 含铋合金从可利用资源的出发点上是无希望的，现在可利用得铋供应可能被全部用完，如果将此合金广泛用于正在蓬勃发展的电子工业。
表三、美国矿产局有关不从表二所显示的潜在替代金属的相对价格看，很明显，许多无铅焊锡将比其替代的锡/铅焊锡贵得多。
例如，铟（In）是用来取代铅的主要元素之一，但它是一种次贵重金属，几乎和银一样贵。
可是应该注意，所建议的焊锡合金的高成本在决定最终产品价格时，并不象最初所显示的那么重要。
因为所需的量少，在装配中，和其它成本因素如：元件、电路板及装配相比，焊锡成本几乎不重要。
所选合金的性能是非常重要的。
无铅焊锡及其特性和温度、机械、蠕变、疲劳特性一样，熔化温度点是最重要的焊锡特性之一。
表四提供了现时能买到的无铅焊锡一览表。
无铅焊料的疲劳特性
无铅焊料的疲劳特性Document number : PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998无铅焊料的疲劳特性焊料的等温疲劳试验各类电子产品是在温度不断地变化状态下使用的，由1C封装、印制基板、各种各样元件工作时的热涨差所引起的变动位移，其应力通常都会作用于最薄弱环节一焊料接合部，造成热疲劳损伤。
因此，进行高可靠的焊料接合部设计，首先要理解无铅焊料的等温疲劳特性。
焊料接合部的结构在硅芯片和陶瓷基板等刚性比较高的场合，例BGA(ball grid array等)焊球的应力松驰速度快，给接合部的最大应变是高温时的保持时间及应变控制的往返变形负荷。
对QFP、PLCC等使用场合，焊料的应力松驰速度比前者慢，到达高温时是暂时性的间断变形，属应变控制与荷载控制混合形态下的往返变形负荷，然而，不管哪一种场合，应变控制的疲劳是主要的，在实验室进行上述疲劳试验时，应变控制方式是可实现的。
试件经受的负荷样式，BGA类主要是剪切应变负荷，QFP、SOP类不仅是剪切应变、是与拉伸压缩棍在一起的复合模式。
在多轴应力/应变条件下，一般采用VonMises 等效应力和等效应变。
对于单轴拉伸模式的等价应力/应变，可利用有限单元法等的模拟方式求得接合部疲劳破坏等效应变，用拉伸压缩模式由焊料的疲劳试验结果，来推算其疲劳寿命。
△ ep*Nf x a=C ⑵由于焊料接合部存在脆性金属化合物状的接合界面，需通过重迭接合评价 反映接合界面的影响，S 焊料的拉伸疲劳试验结果和CU 铜接合体的剪切疲劳 试验结果比较由图表示（组成单位mass%、下同）图上纵坐标根据下式求得 VonMises 等效应变，横坐标为疲劳寿命。
由图看到，拉伸模式的疲劳试验结 果与剪切模式疲劳试验结果差不多在同一条直线上，这意味着，采用VonMises 的等效应变方式，可对焊料拉伸模式疲劳结果和接合体剪切疲劳结果进行直接 比较。
下面说明的是利用应变控制方式对Sn-Ag 系无铅焊料铜接合体的等温疲 劳试验结果。
无铅焊料的评价内容
二、无铅焊料的评价内容理想中的无铅焊料最好是与原来Sn-Pb 共晶焊料特性相同的靠近低熔点处的类似型焊料。
共晶焊料的主要特性，除具备低熔点外，能够像纯金属那样在单一温度下熔融、凝固。
作为Sn-Pb 共晶替代物的无铅焊料，也希望具有与Sn-Pb 相同的熔融温度范围、良好的接合性能、润湿性等。
在开发研制过程中，要完全达到原有焊料相同的性质是困难的，只有通过对Sn 基合金添加AS/Bi、In、Cu等元素，组成性能最接近于原来使用焊料的替代物，同时要考虑到替代物（无铅焊料）的无毒性，制造成本，保存稳定性等因素。
图2.1 是无铅焊料中候补合金系示意。
对Sn-Ag 共晶和Sn-Zn 共晶添加Bi、In ，目的是降低其溶点，添加Cu是为了使其组织细微化，并抑制Cu的溶解，随着某些应用上的要求，今后也可能添加Ce、Ni、P等元素。
目前对无铅焊料进行评价，衡量的报告比较少，只有在替代实用过程中，或根据所用素材本身的润湿，使用性能来比较鉴别，以促进无铅焊料的应用发展。
无铅焊料的特征比较见表2.1，含添加了0.5%程度的Cu。
2 无铅焊料的熔融温度范围Sn 基无铅焊料的熔点测定方式有下面三种（l）同原来的热分析（TA )页码；（2）示差热分析（DTA )；（3）示差扫描热量分析（DSC )。
通常采用第3种方式，对焊料由液体状态向固体状态转化时，测定其冷却曲线。
这在回流焊接中，因焊料的熔融动态形成的润湿、流向、弯月面是个重要的因素。
各种熔融温度的测定方法特征和低熔点共晶、对固相线、液相线测定的适用性由表2.2 表示，可以看出，低熔点共晶在加热时的DSC 或DTA ，对固相线冷却时的热分析或加热时的DSC ，在液相线冷却时求得是最适宜的。
无铅焊料属Sn 基合金，应充分理解由过冷却因素，需在冷却时进行液相线、固相线温度测定的这个特征。
表2.2 各种熔融温度的侧定方法特征图2.2 是对Sn-3.SAg 合金的测定例，图中（a）的热分析可明显地看到冷却过程时的过冷却，凝固中回到共晶温度时不发生液相线温度误差。
空调器印刷电路板无铅焊点抗热疲劳性能分析
维普资讯
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无铅焊接材料性能
无铅焊接材料性能焊锡作为所有三个连接级别：芯片(die)、封装(package)和电路板装配的连接材料。
除此之外，锡/铅焊锡普遍用于元件引脚和PCB的表面涂层。
考虑到铅(Pb)的既定角色，焊锡可分类为或者含铅的或者无铅的(lead-free)。
现在，元件和PCB在无铅系统中已经找到可行的替代锡/铅材料的表面涂层。
可是对于连接材料，对实际无铅系统的寻找还在进行中。
这里，将总结一下锡/铅焊锡材料的基础知识，以及焊接点的性能因素，后面有无铅焊锡的一个简要讨论。
焊锡通常描述为液相温度低于400°C(750°F)的可熔合金。
芯片级别(特别是倒装芯片)的锡球的基本合金含有高温、高铅成分，如Sn5/Pb95或Sn10/Pb90。
共晶或近共晶合金，如Sn60/Pb40、Sn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37，也已经成功使用。
例如，在载体CSP/BGA基板底面的锡球可以是高温、高铅或共晶、近共晶的锡/铅或锡/铅/银材料。
由于传统电路板的材料如FR-4的温度忍耐级别，附着元件和IC封装的板级焊锡只局限于共晶、近共晶的锡/铅或锡/铅/银焊锡。
在有些情况中，使用了锡/银共晶和包含铋(Bi)或铟(In)的低温焊锡化合成分。
焊锡可以各种物理形式应用，包括锡条(bar)、锡锭(ingot)、锡线(wire)、锡粉(powder)、预成型(preform)、锡球(sphere)与柱、锡膏(paste)和熔化状态。
焊锡材料的固有特性可在三个范畴内考虑：物理、冶金和机械。
物理特性对于今天的封装和装配，五个物理特性是特别重要的：11.冶金学相转变(phase-transition)温度具有实际的意义。
液相温度认为等于熔化温度和固相线对软化温度。
对于一个给定的成分，液相与固相之间的范围叫做塑性或粘滞范围。
选作连接材料的焊锡合金必须适应服务(最终使用)温度的最坏条件。
因此，希望合金具有至少高于所希望的服务温度上限两倍的液相线。
无铅焊料的性能及作用
无铅焊料的性能及作用无铅焊料是一种用于电子行业中的重要焊接材料，由于其无铅的特性，被广泛应用于电子产品的生产中。
本文将对无铅焊料的性能和作用进行详细介绍。
一、无铅焊料的性能1.熔点低：与传统的铅锡焊料相比，无铅焊料的熔点较低。
低熔点有助于减少电子元器件的热应力，提高产品的可靠性。
2.良好的湿润性：无铅焊料具有较好的湿润性，可以快速覆盖焊接表面，形成均匀的焊点。
这有助于提高焊接质量和焊接效率。
3.优良的扩散性：无铅焊料与基材之间具有良好的扩散性，可以形成稳定的焊接点。
与铅锡焊相比，无铅焊料的扩散性更好，抗冷焊效果更优秀。
4.高可靠性：无铅焊料可以有效降低焊接点的应力，提高焊点的可靠性。
由于电子元器件在使用过程中往往会受到温度变化和机械应力的影响，如果焊点可靠性不高，容易出现开焊和冷焊等问题。
5.环保无毒：无铅焊料不含有害铅元素，符合环保要求，不会对环境和人体健康产生危害。
二、无铅焊料的作用1.提高电子产品的质量：无铅焊料具有良好的湿润性和扩散性，可以形成高质量的焊接点，从而提高电子产品的可靠性和性能。
2.保护环境：传统的铅锡焊料含有大量的有害铅元素，不仅对环境产生污染，而且对人体健康有害。
使用无铅焊料可以有效避免这些问题，保护环境和人的健康。
3.符合法规要求：由于无铅焊料对环境和人体的安全没有危害，因此符合国际法规和相关指令的要求。
在一些国家和地区，如欧盟，使用无铅焊料已成为法律法规的规定。
4.促进产业升级：无铅焊料的应用推动了电子行业的产业升级。
随着环保意识的提高，越来越多的企业开始采用无铅焊料，从而促进了焊接技术的进步和行业的发展。
5.降低生产成本：无铅焊料的成本相对较低，使用无铅焊料可以降低生产成本。
此外，由于无铅焊料的熔点较低，可以减少能耗，进一步节约生产成本。
综上所述，无铅焊料具有熔点低、湿润性好、扩散性优良、高可靠性和环保无毒等优点。
它在提高电子产品质量、保护环境、符合法规要求、促进产业升级和降低生产成本等方面发挥着重要作用。
无铅焊料研究报告综述
2.5 焊料特性
Sn-Bi系
Sn-Bi系焊料合金的场 变性和拉伸强度明显的 高于Sn-Pb共晶焊料。 主要是Bi元素的结晶构 造是菱面体晶格，延展 性不好。但是该焊料合 金的固液相共存的区域 大，焊接时容易出现凝 固偏析，使耐热性劣化。 在工艺上应采用快速冷 却以减小偏析。
2.5 焊料特性
Sn-Zn系
2.4种类
Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Cu等
2.5 焊料特性
Sn-Ag系
Sn-Ag系焊料作为高熔点焊料已被实用化了。Sn-Ag系合金具有良好 的金属特性，其力学性能、可焊性、热疲劳可靠性良好；此外，由于Ag 的抗氧化性能好，从而使用 Sn-Ag系焊料无须气体保护，它被认为是有 力的替代焊料之一。 Sn-Ag系无铅焊料合金目前存在的最大问题是，如用于替代Sn-Pb共 晶焊料，熔点偏高。如Sn-3.5Ag共晶的熔点是221oC，为降低熔点，通 常是添加微量的 Bi，In，Cu和Zn等元素。但总体上看，Sn-Ag系无铅焊 料合金具有热疲劳性能优良、结合强度高、熔融温度范围小、蠕变特性 好、熔点比较高、价格高等特点。
2.6 无铅焊接技术应用的影响因素
3.助焊剂 开发新型的氧化还原能力强和润湿性更好的助焊剂,以满足无铅焊料的 要求。助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配,而且要满足环保的要 求。迄今为止,实际测试证明免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接效果更好。 4.模板 无铅工艺对模板的开口尺寸和模板的厚度提出了新的要求，模板开口 尺寸的更改主要还是依据实际生产的基板焊接情况而定。例如QFP/BGA 等细间距引脚的元件要求在不引起桥连的情况下尽量加大模板开口，以 增加焊膏量提高焊接质量；由于无铅焊膏的比重相对有铅焊膏要小，助 焊剂含量较多，无铅焊接特性等形成了无铅焊膏在焊接时要求锡膏量要 比有铅的要多，所以在生产无铅产品时模板厚度应相应增加一点。
钎焊材料成分性能分析-无铅焊料(或无铅钎料,无铅焊锡)
杭州辛达狼焊接科技有限公司是一家专业研发、生产和销售低、中、高温钎焊用助焊剂的科技型企业。
产品主要有不锈钢无铅助焊剂，普通型不锈钢锡焊助焊剂，无铅烙铁头专用高效助焊剂，低温液体铝助焊剂，铝/铜异种材料钎焊助焊剂，铜合金用中温膏状助焊剂，中温膏状铝助焊剂和焊膏等系列产品，广泛应用于电子、电器、制冷和汽车等领域。
公司建有助焊剂研发中心，拥有2名博士和多名助焊剂专家，并与哈尔滨工业大学在助焊剂领域建立了密切的科研合作。
助焊剂--辛达狼焊接科技有限公司1.3.2锡基无铅软焊料铅及其化合物是有毒物质，损害人类健康，污染环境。
随着人类环保意识的增强，世界各国已相继出台一系列法令和法规来防治电子产品所带来的生态问题，限制铅在电子产品中的使用，最有影响力的是欧盟于2003年颁布的WEEE 指令（《报废电子电器设备指令》）和ROHS指令（《电器和电子设备中限制使用某些有害物质指令》），执行日期是2006年7月1日。
我国于2006年2月也颁布了相应的《电子信息产品污染控制管理办法》，规定2007年3月1日起开始实施。
欧盟和我国的指令都明确规定在指定日期前停止在监管电子产品中使用含铅材料。
在无铅绿色制造这一大趋势下，许多国家的科研机构和企业已开始加大投入来研发无铅焊料，并积极推广其应用。
目前已开发出的无铅焊料主要有Sn-Ag系，Sn-Cu系，Sn-Zn系和Sn-Ag-Cu 系等，并通过添加P、Ni、Ag、Sb、Cu、In、Bi等元素获得不同性能的系列产品。
如千住金属工业株式会社的JS3027441专利、亚通电子有限公司的ZL03129619.X专利和艾奥瓦州立大学的US5527628专利，分别公开了各自的Sn--Ag-Cu系无铅焊料；AIM的US5525577专利和US5352407专利，公开了Sn-Ag-Cu-Sb系无铅焊料；松下电器产业株式会社的CN1087994C专利和北京工业大学的CN1586793A专利申请公开了各自开发的Sn-Zn系无铅焊料；千住金属工业株式会社的CN1496780A专利申请公开了Sn-Cu系无铅焊料；韩国三星电机株式会社的CN1040302C、CN1040303C专利和CN1139607A专利申请公开了Sn-Bi系无铅焊料等。
无铅焊料的性能(马扬12721377)
无铅焊料的性能
无铅焊料的性能
在当前研究的无铅焊料中，SnAgCu系焊料 合金以其优良的润滑性能和力学性能被普 遍认为是最有潜力的含铅焊料Байду номын сангаас替代品。 SnBi系焊料的部分机械性能高于含铅焊料， 是一种理想的低温钎焊无铅焊料。但二者 在延伸率方面都存在不足，通过添加稀土 元素可以进一步提高无铅焊料的综合性能。
无铅的背景
• 珍惜生命，时代要求无铅 的产品。
无铅焊料的优缺点
以下3张图片是近期对世界主要电子 产品制造商对于的问卷调查结果
• 现在的电子产品几乎不再以Pb作为作为焊 接焊料的原材料，以SnAgCu为主的无铅焊 料已经取代了以SnPb焊料为主的有铅焊料， 广泛应用于电子产品的组装焊接。
无铅焊料的优缺点
无铅的背景
• 焊料是用于添加到焊缝、堆焊层和纤缝中 的金属合金材料的总称。包括焊丝、焊条、 纤料等。 • 焊料从发明到使用，已有几千年的历史。 锡铅（SnPb）焊料以其优异的性能和低廉 的成本，一直受到人们的重用，作为电子 组装焊接中的主要焊接材料。
无铅的背景
但是随着环境保护意识的增强，铅及其化 合物被环境保护机构列入17种对人体和环 境危害最大的化学物质之一。根据美国卫 生和城市发展规划部（HUD）的研究：铅 及其化合物的剧毒性是不可分解的，铅会 使人体内的蛋白质凝固，损害人的中枢神 经，造成神经系统和代谢系统紊乱，会导 致人引发高血压、贫血和生殖功能障碍等 疾病，过量时能够致癌。
• 几乎所有的无铅焊料都是以Sn为主要成分 来发展的，通过添加In、Ag、Bi、Zn、Cu 和Al，构成二元、三元或者四元共晶合金系。 主要是因为共晶合金具有单一和较低的熔 点
无铅焊料的性能
电子装联中钎焊接头不仅起到传输 电信号的电连接作用，同时也起到 机械连接的作用，因此焊料合金必 须具备足够的力学性能。
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无铅焊料的热疲劳特性
对无铅焊料进行热疲劳研究是最近才开始的事情，至今还没有构成完整的寿命预测模型，美国NCMS (NationalCenterforManufacturingSciences）的Lead Free solder project 曾对无铅焊料的热疲劳特性作了大量的研究。
作为焊料接合部热疲劳特性的评价方法，有通过视力对疲劳开裂的评价方法、利用电阻值变化的计测方法、或通过剥离试验对接合部剩余强度进行测定的方法等，对有框架引线类的QFP、PLCC等大多采用剥离试验求出接合部剩余强度再进行评价的方法。
图6.1-图6.4是将QFP 通过Sn-3.5Ag-x系无铅焊料组装于基板后，经热循环测试的器件与基板接合强度变化，及各个循环数的接合强度在初始强度下的减少关系（表示单位mass %）采用的QFP 试件由图6.5 表示（引线间距0.65mm、线数100）。
QFP 的引线电镀了S n-20Pb ，热循环制订二种方式，-30℃-130℃温度范围（△T-160K ）和。
0℃-100 ℃温度范围（△T = l00K )，升降速度1.78K/min，保持时间10min，采用气相式温度循环试验机。
接合强度使用万能精密拉伸试验机，用0.5mm / min 的十字型滑块速度将引线框对着Cu 焊区垂直方向进行拉伸，在试验次数到30 次后，再用威伯尔曲线图计算出平均拉伸强度。
各焊料接合部的初始强度，除去合金Alloy H ( Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合强度都在其以上或同等。
Sn-3.5Ag在添加Bi 后，其接合强度有上升的趋势，在2%时其强度达到峰值，其它场合强度都表示了降低趋势，Alloy H 合金所显示的初始强度与其他合金相比是最低的。
在添加Cu 的场合，接合强度同样显示上升，到1%时，比Sn-37Pb 、Sn-3.5Ag 有更好的接合强度。
分析AT = 100 K 时各合金热循环和接合强度的关系，不难看出Sn-3.5Ag、添加Cu 后的接合强度下降趋势缓慢，而添加Bi 后，不管哪种合金都随着热循环数的增加接合强度明显下降，对添加Bi比较，Sn-3.5Ag 添加Cu、其强度下降非常少，即进入1200次循环后也不出现热疲劳损伤，具极优异的热疲劳抵抗性，而添加Bi 的合金焊料、其显示的接合强度，有的比Sn-37Pb还低。
由此说明，在△T=100K 温度循环下，要保证无铅焊料具Sn-37Pb 以上的热疲劳抵抗性，Bi 添加量的界限为2%。
△T=160K 与△T=100K的比较，强度跌落的斜度较大，与添加Bi 的合金比较，Sn-3.5Ag 和添加Cu 的合金热疲劳特性良好、强度下降系数与△T=100K相同。
Sn-3.5Ag的热疲劳抵抗性最好，在1200次循环后强度还保持在初始强度的80%添加Bi的合金强度降低与其浓度有关、在1200次循环后其强度为初始强度的20%程度。
添加Cu的合金，明显地受到热疲劳损伤，1200次循环后其强度大体上与Sn-37Pb相同。
热疲劳试验证明，在△T =160K时，特性超过目前Sn-37Pb所具热疲劳抵抗的合金有Sn-3.5Ag或添加1%Cu以下的合金焊料，从合金熔点的观点考虑，Bi的含量多对其合金性
能比较有利，从热疲劳抵抗观点考虑，Bi的含量应该加以限止．
6.2 QFP/焊料接合部的热疲劳损伤过程。
△T = 160K ，经200、400次循环后Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag-5Bi 焊料接合部的各种断面组织由图6.6 表示。
对其断面组织观察，先用2400＃的金刚砂研磨观察面，再用1mm 的金刚石研磨膏进行抛光研磨，经光学显微镜分析、200 次循环后的Sn-3.5Ag 和Sn-3.5Ag-0.5Cu 焊料接合部看不到热疲劳的开裂，Sn-3.5Ag-5Bi 接合部，在焊料弯月面上部发现有裂纹，其裂纹已接近引线框。
400 次循环后的观察分析、各个合金接合部均已发生裂纹，Sn-3.5Ag 的接合部裂纹的进展量较少、Sn-3.5Ag-0.5Cu 接合部裂纹已接近引线框，Sn-3.5Ag-5Bi 接合部的开裂就更严重。
热疲劳开裂进展倾向，用拉伸的强度下降系数来反映或评价热疲劳损伤看来是妥当的。
另外，开裂在弯月面上部发生后，会向内部发展，并进一步沿引线框进展的状态，这可称为热疲劳损伤过程的前半部（显示焊料疲劳特性），焊料/引线框界面的开裂进展状态可称作热疲劳损伤的后半部，暗示了QFP/焊料接合部的热疲劳特性。
热疲劳损伤过程的前半部与焊料的低循环疲劳特性相似，也意味着焊料疲劳特性是热疲劳特性的反映，特别是△T=100K场合，热疲劳试验结果与焊料疲劳特性间有着良好的相关关系。
Sn-3.5Ag 和Sn-3.5Ag-SBi 系合金接合部疲劳开裂的过程，经扫描型电子显微镜观察照片由图6.7 表示，(△T = l 60K )。
图示说明，热疲劳开裂在弯月面上部发生后向弯月面内部进展并沿着引线框展开。
Sn-3.5Ag接合部疲劳开裂状况。
由图6.7（a）表示的那样会在生存界面的金属化合物层附近展开，Sn-3.5Ag-Cu的接合部损伤与上述的相同。
S n-3.5Ag-5Bi 接合部的开裂进展情况在图上也可确认，该合金是Bi 含量多的高强度焊料，因焊料层强度高，受负荷的应变在焊料层不能充分吸收，开裂都发生在接合界面的金属化合物层内部，通常，开裂都从破坏韧性低的化合物层中向伸长性好的焊料一侧缓慢地进展。
然而，含有Bi 的合金热疲劳抵抗低，造成焊料本身的疲劳抵抗性低，这是开裂过程容易通过的原因。
另外，比引线框电镀中含有Pb或Bi-Pb，会在Sn-3.5Ag-5Bi焊料的接合界面附近偏析，开裂也会沿这个Pb层进展，有这种因素引起的热疲劳抵抗劣化，也是需要考虑的。
关于无铅焊料热疲劳特性目前的研究，只能在有关限止的条件下加以相互比较，今后进行正确寿命预测的详细研究是必要的。
（利用模拟型热疲劳试验机）Sn-3.5Ag 和Sn-Ag-Cu 系都具优异的热疲劳特性。
但是在当前使用时，由于组装基板和元件的表面处理还未做到无铅化，在生存接合界面的各种金属化合物层将影响到接合部的热疲劳特性，这是无铅焊料应用中的问题悬念。
为今后得到可靠性良好的接合体，对各种因素的问题更要执行详细的基础研究。