从元素周期表认识无铅焊料的性能

从元素周期表认识无铅焊料的性能

人们对无铅焊料已做了广泛的研究，并已开发出三大系列无铅焊料（表1）。但这几大系列无铅焊料的部分性能，特别是焊接性能/润湿性、焊接温度/工艺性以及经济性等方面，尚不及SnPb焊料。考察这些元素在元素周期表中的位置，我们不难看出，为什么已开发出的无铅焊料在性能上只能部分达到SnPb焊料的水平？或者说，为什么寻找真正能与SnPb合金相同性能的物质是非常非常的困难？

焊料合金元素在元素周期表中的位置

目前，已经开发成功的无铅焊料的合金成份，基本上由下列元素组成（图1）。元素周期表（表2）显示，这几种元素作为焊膏的合金成分几乎是“非君莫属”。

图1 无铅焊料的基本元素

SnPb合金最符合“相似相融”原则

Sn-Pb焊料几乎有了几千年的历史，至今尚无法完全取代它们，表观上与他们的物化性能有关，而最根本的原因是与Sn、Pb两元素在周期表中的位置有关，它们均是第Ⅳ主族元素，排列位置紧紧相连（Sn 在第五周期内，Pb在第六周期内），就好象同一家族内的弟兄俩一样，血脉相通，它们之间互熔性能好，合金本身不存在金属间化合物（IMC）。

但又由于Pb在元素周期表中是第82号元素位，碳族的末端，属第六周期。而Sn在元素周期表中是

第50号元素，排列在次末端，属第五周期。因为Pb的核电荷数为82，远大于核电荷为50的Sn，故通常Sn可以失去最外层的4个电子形成Sn4+离子，如SnO2，故Sn呈现出明显的金属性能，而Pb原子外层也有4个电子，但因核电荷数有82个，对最外层4个电子有大的引力，故通常Pb只能失去2个电子，形成Pb2+离子，如PbO，故Pb元素的活泼性不及Sn元素的活泼性，因此在使用SnPb焊料焊接金属Cu时，实际上只有Sn参与被焊金属Cu等的结合，而Pb不参与反应，Sn与Cu通过相互扩散的原理，形成金属间化合物Cu6Sn5，焊接学中这种扩散又称之为选择性的扩散，但微观的原因仍是由Sn、Pb元素的原子结构所决定，不同的原子结构显示出Sn的活性要高于Pb。

为何Sn仍将是焊料的基材？

由于Pb的有害性而将被取代，然而Sn仍是作用优良的焊料基材而被利用，这是因为Sn和其它许多金属之间有良好的亲和作用，它的熔点低，无毒无公害，特别是在地球上储藏量大，价格低，因而仍是一种无法取代的焊料基材，因此所谓的无铅焊料仍是以Sn为基材的焊料，既然Sn的位置已定，从元素周期表来看，任何元素都无法代替Pb而构成类似Sn-Pb合金的焊料。

以Bi为例，Bi是除Pb以外离Sn较近元素，Bi是元素周期中排在第Ⅴ主族（氮族）元素的末位，若从周期上看，Bi排在第六周期期第15列与Pb在同一周期，但Pb排在第14列，根据上述的规律Bi与Sn 不是同族元素，并且Bi的金属性比Pb要弱，表3为Sn、Pb、Bi三者的部分物理常数。

从表3中看出，Bi的非金属性明显比Pb强，Bi是菱状晶体（类似金属晶体），具有脆性，SnBi合金的导电/导热性能不及SnPb合金，Bi与Sn有较好的互熔性，但Sn-Bi合金硬度高，延伸性低，不能拉成丝，一句话SnBi合金焊料不及SnPb合金焊料那样好。

只要将相关金属的熔点同它们与Sn构成的共晶合金比例进行比较（图1），就会发现有一个有趣的规律，即随着金属熔点的降低或者更准确地说，随着金属熔点向Sn熔点的靠近，这些金属与Sn的共晶成份的比例就明显提高（表4），这也形象地验证了“相似相融”的原则。

挑选合金配方不是改进无铅焊料性能的唯一方法

已开发出来的Sn-Zn、Sn-Ag、Sn-Cu合金等无铅焊料的部分性能，特别是焊接性能尚达不到Sn-Pb 焊料的水平，这与它们在元素周期表中的位置以及原子结构有着密切的关系。

尽管人们很难找到一种合金其性能完全取代Sn-Pb焊料，但人们通过大量的研究，Sn-Ag-Cu系无铅焊料除了熔点高，可焊性差和价格高以外，其它性能如机械性能/抗疲劳性能已超过Sn-Pb焊料，无铅焊料可焊性差的原因，在于Ag、Cu等金属易于同Sn化合成IMC，如Cu6Sn5，Ag3Sn，它们抑制了Sn的流动性，见示意图2。

图2 Ag3Sn抑制了Sn的流动

而锡铅元素在元素周期表中排列均是Ⅳ类主族元素，排列很近，它们之间互熔性良好，并且合金本身不存在金属间化合物, 故Sn-Pb焊料流动性好，见示意图3。

图3 Sn-Pb焊料流动性好

无铅焊料的表面张力大，焊接时润湿角大，其改善的办法在于一方面在上述合金中可以添加微量金属，以改善无铅焊料的易氧化性达到降低其表面张力（目前这方面已有明显进步），另一方面研制一种性能优良的助焊剂，以增强焊料的可焊性能。

这意味着也会降低它们的焊接温度,比如无铅锡膏中助焊剂采用烯羟基化合物，它是一种独特的树枝状聚合物（Ploy-edndnimer）活化剂，它不仅可增强焊膏的防潮性能，有效地消除焊膏飞溅和排气效应，同时具有有机金属熬合作用，可熬合多种金属离子（Cu2+,Ni2+ PbAg），这样再流焊时，这类的助焊剂可以有效地熬合着各种Ag3Sn ,Cu6Sn5等金属间化合物，这类的树枝状聚合物熬合剂起始温度约为140℃，起熬合作用的温度在180℃，从而起到有利于Sn原子的润湿性，达到降低无铅焊料的表面张力，增加焊料可焊性的作用。

此外，新型的助焊剂还使得配成的锡膏不易粘着模板与刮刀，有利于锡膏滚动性和离网性，并保证锡膏能迅速地与刮刀，模板窗口分离。

目前的一种观点是：无铅焊料的焊接温度定义在“焊料的熔点+10℃”，以Sn-3.5Ag-0.9Cu为例，它的熔点为218℃，加上10℃为228℃，以230℃的温度来焊接，这几乎同Sn-Pb焊料的焊接性能差不多。通常助焊剂是有机化合物，它可以通过合成的方法来得到，这比创造出一个新元素要方便得多。因此无铅焊料的前途可通过寻找微量元素、改善焊料的综合性能、以及研制新型的助焊剂以提高焊料的焊接性能。尽管已有的无铅焊料尚未完全达到Sn-Pb焊料的综合性能，但这并不能阻碍电子制造无铅转换的进程。

元素周期表揭示了一种元素不同于另一种元素的根本原因在于它们的原子核电荷数有差别，元素的核电荷数等于它在元素周期表中的位号数，并且元素以及由它所形成的单质和化合物的性质，随着元素的原子序数（核电荷数）的依次递增呈现周期性的变化，物质在不同条件下表现出的各种性质，不论是物理的还是化学性质都与它们的结构有关。