无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体(精)

无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体健康而发展起来的，其大致可以分为以下几个阶段：

(1)无铅焊料的提出阶段

1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0．1％以下。由于当时所有的电子产品都离不开有铅焊料，有铅焊料发展得相当成熟，而在那时人们对生态环境的保护意识还不够，对铅对人体损伤的认识不足，因而没有受到重视。

(2)无铅焊料的发起阶段

从1991年起NEMI、NCMS、NIST、Drr、NPL、PCIF、ITRI、JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过2 000万美元，目前仍在继续。

(3)无铅焊料的运用阶段

在1998年10月，第一款批量生产的无铅电子产品Panasonic MiniDisc MJ30问世。20世纪90年代中叶，日本和欧盟作出了相应的立法：日本规定2001年在电子工业中淘汰铅焊料，在2004一年禁止生产或销售使用有铅焊料焊接的电子生产设备；而欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备，但是由于无铅焊料还存在技术上的原因，有可能到2008年才能实现电子产品无铅化。

2.无铅焊料的技术要求

无铅焊料应该具备与锡铅体系焊料大体相同的特征，具体目标如下：

（1）熔点低，合金共晶温度近似于Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性；（2）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能；

（3）热传导率和导电率要与Sn63/Pb37的共晶焊料相当，具有良好的润湿性；

（4）机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能；

（5）要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更换设备不改变现行工艺的条件下进行焊接。（6）焊接后对各焊点检修容易；

（7）成本要低，所选用的材料能保证充分供应。

3.常见的无铅焊料及特性

最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金属元素，通过焊料合金化来改善合金性能提高可焊性。

目前常用的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，添加适量其它金属元素组成三元合金和多元合金。

（1）Sn-Ag系

锡银系(Sn96.5-Ag3.5)焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。它的状态图如图3.9所示，共晶温度为221℃，与单村的共晶合金状态图相比（图3.8），Ag含量超过50％的成分范围比较复杂。在75％Ag含量附近有一个纵长的区域，写着Ag3Sn，在此成分和温度区域内，Ag3Sn能够稳定地存在。仔细看可以发现，在这个Ag3Sn区域的左侧与二元共晶状态图相似。在Sn和Pb二元合金的情况下，Sn和Pb结晶彼此都能在某种程度上固溶对方的元素，然而Sn中几乎不能固溶Ag。也就是说，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。

图3.9

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，这一点是混合在一起的两种组织与塑性良好的Sn-Pb合金的不同之处。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，因此在设计合金和界面反应时应该充分注意。如下图3.10所示，（a）图中的Ag 含量少，(b)图中Ag的含量多。

图 3.10

它能在长时间内提供良好的粘力，在过回流焊时无需氮气保护浸润性和扩散性与锡铅系焊料相近，并且锡银系的助焊剂残留外观比锡铅系的残留还要好，基本无色透明。而且还在合金的电导率、热导率和表面张力等方面与锡铅合金不相上下。

锡银铜系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)焊料可能将是锡铅焊料的最佳替代品，它有着良好的物理特性。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，因此逐渐成为国际上标准的无铅焊锡。下图3.11为典型的Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5合金组织照片。

图3.11

围绕β-Sn初晶形成了共晶组织，几乎看不出与Sn-Ag共晶合金有区别。锡与次要元素银和铜之间的冶金反应是决定应用温度、同化机制及机械性能的主要因素。在这三元素之间有三种可能的二元共晶反应。在温度动力学上锡更适合与银或铜反应，来形成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间的化合物。从照片中可以看出，Ag3Sn细微结晶具有相当长的纤维状组织。Ag与Cu一样也是几乎不能固溶于β-Sn的元素。因此，在照片中的共晶部分应该有Cu6Sn5的微细析出晶粒混在其中，但是与Ag3Sn区别不开。

较硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在锡基质的锡银铜三重合金中，可通过建立一个长期的内部应力，有效地强化合金。这些硬粒子也可有效地阻挡疲劳裂纹的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔较细小的锡基质颗粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越细小，越可以有效地分隔锡基质颗粒，结果是得到整体更细小的微组织。这有助于颗粒边界的滑动机制，因此延长了提升温度下的疲劳寿命。其中Sn95.4-Ag3.1-Cul.5此种配制为最佳，它良好的性能是细小的微组织形成的结果，微组织给予高的疲劳寿命和塑性。对于0.5％～0.7％铜的焊锡合金，任何高于大约3％的含银量都将增加Ag3Sn的粒子体积分数，从而得到更高的强度，并且不会再增加疲劳性。反之含铜量较高时造成疲劳性降低。在此种三重系统中，1.5％的铜3％～3.1％的银最有效地产生适当数量的、最细小的微组织尺寸的Cu6Sn5粒子，从而达到最高的

强度、可塑性和抗疲劳性。

Sn-Ag-Cu与Sn-Ag合金不同，其共晶成分还没有精确的确定下来。表3.3总结了迄今为止公布的该三元合金的共晶成分。

表3.3报道的Sn-Ag-Cu共晶成分

锡银铜系与其他系别的焊料相比较有何特点呢？

锡银铜系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)与传统锡铅系(Sn63-Pb37)比较优势在于，配比为3.0%～4.7％Ag和0.5％～1.7％Cu的合金成分通常具有比Sn63-Pb37更好的抗拉强度。

锡银铜系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)与锡银系(Sn96.5-Ag3.5)比较优势在于，它的熔化温度为216℃～217℃，比共晶的Sn96.5-Ag3.5低大约4℃。当与Sn96.5-Ag3.5比较基本的机械性能时，研究中的特定合金成分在强度和疲劳寿命上表现更好。

锡银铜系(Sn95.4-Ag3.1-Cu1.5)与锡铜系(Sn99.3-Cu0.7)的比较，3.0％～4.7％Ag和0.5％～1.7％Cu的锡银铜成分合金具有较好的强度和疲劳特性，但是塑性没有Sn99.3-Cu0.7高。

（2）Sn-Zn系

Sn－Zn系无铅合金由于存在润湿性和抗氧化性差等问题一直以来被认为是一种并不理想的无铅焊料。然而，Sn－Zn系焊料具有其他无铅焊料无法获得的低熔点，低成本，良好的力学性能（强度，延展性，抗蠕变性能）等优势。而且，近年来对Sn－Zn系合金润湿的研究取得了明显进展，Sn－Zn系焊料抗氧性等问题也得到进一步研究，这些研究的结果已经初步表现Sn－Zn系无铅焊料应用的潜力。因此，发展低成本高性能的Sn－Zn系无铅焊料成为近年来该领域研究的热点。

Sn－Zn共晶焊锡的熔点与Sn－Pb共晶焊锡的熔点最为接近，共晶成分为Sn－8.8Zn，共晶点温度为198.5℃。如图3.12所示。