Sn_Zn_Bi_In_P新型无铅焊料性能研
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。
0-SMT无铅焊接与问题分析解决 培训7-无铅焊接可靠性讨论及过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题
无铅：SAC305 有铅：Sn-37Pb
峰值温度 235~245℃ 210~230℃
液相时间 IMC厚度 50~60s 不容易控制 60~90s 容易控制
与锡铅钎料相比，无铅钎料最大的不同是：
在再流焊和随后的热处理及热时效（老化）过程中金
属间化合物会进一步长大，从而影响长期可靠性
Sn-37Pb
Sn-A-gCu
温就能满足有铅焊料的焊接温度了，而无铅焊接时对于复
杂的产品焊接温度高达260℃，因此元器件封装能否耐高 温是必须考虑的问题了。
塑封元器件开裂失效的例子
高温影响器件内部连接的可靠性
受潮器件再流焊时， 在器件内部的气体膨胀使邦定点的根部“破裂”
跟部断裂
FC-BGA（flip chip）的内部结构
倒装芯片 凸点
Sn-Ag-Cu结晶组织 非平衡状态凝固：
固溶对方的元素。结晶的形状比 Sn先结晶，以枝晶状（树状）出 较规则，因此外观比较光滑 现，中间夹Cu6Sn5和Ag3Sn。
三．关于过渡时期无铅产品长期可靠性的讨论
长期可靠性没有定论
是高可靠产品获得豁免的主要原因之一
无铅产品长期可靠性问题
高温损坏元器件 机械震动失效 热循环失效
2. PCB焊盘表面材料
有铅 Sn/Pb热风整平（HASL） Ni/Au（化学镀Ni和浸镀金ENIG ， 俗称水金板） 无铅 无铅HASL Ni/Au
Cu表面涂覆OSP
浸银（I－Ag）
Cu表面涂覆OSP
浸银（I－Ag） 浸锡（I－Sn）
3. 元器件焊端表面镀层材料
有引线 元件 引线 材料 Cu Ni 42号 合金钢 有引线元器件焊端 表面镀层材料 有铅 无铅 Sn/Pb Sn Ni /Au Ni/Pd/Au Sn/Ag Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Bi 无引线元器件焊端 表面镀层材料 有铅 无铅 Sn/Pb Sn Ni Ni/Pd/Au Sn/Ag Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Bi Sn/Bi
Sn-Bi系无铅焊料可靠性的研究进展
Sn-Bi系无铅焊料可靠性的研究进展摘要：电子封装产业的无铅化是国民经济发展的重要方向，本文根据近年来无铅焊料的新发展趋势，着重叙述了Sn-Bi系无铅焊料的研究进展，阐述了Sn-Bi系无铅焊料的优缺点，以及合金化对其性能的改良情况。
最后展望了无铅焊料的发展趋势和新的发展思路。
关键词：Sn-Bi焊料；无铅；可靠性；脆性1 前言传统电子行业中，Sn-Pb焊料以其优异的物理冶金性能，广泛应用于电子封装领域。
然而Sn-Pb焊料中主要金属元素铅是有毒重金属，美国和欧盟均相继通过立法对含铅电子产品逐步禁止使用Sn-Pb焊料。
针对这一趋势，各主要工业国相继开展了无铅钎料的研制，目前商业化最成功的无铅焊料为SAC305（典型成分：96.5%Sn/3.0%Ag/0.5%Cu）和其同系列焊料。
三元Sn-Ag-Cu焊料降低了Sn-Ag焊料的高成本，也增加了焊料在铜基板上的润湿性，是电子封装行业里最受欢迎的无铅钎料。
当前，无铅焊料的研发主要目标是在性能、成本上完全替代Sn-Pb焊料，除前文叙述的Sn-Ag-Cu合金外，Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag二元合金及其衍生多元合金的性能均不如Sn-Pb合金，尤其是在焊料温度方面[1]，Sn-Pb合金的共晶温度点约为183oC，而Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系合金的共晶温度分别约为221oC、227oC和198oC，均高于Sn-Pb合金，这给电子封装可靠性带来了十分不利的影响。
Sn-Bi合金以其低熔点（139oC）广泛应用于温度敏感器件、防雷等设备的封装，尤其在多层基板封装工艺上更加适合回流工艺。
此外，Sn-Bi系合金的抗热疲劳性能及抗蠕变性好、润湿性好，且Bi能够降低或阻碍Sn合金中的锡须生长，极大地增加了电子封装的应用可靠性[2]。
但同时，Sn-Bi系合金的缺点也很明显：脆性高、延展性差、机械加工性能差。
合金化成为了克服Sn-Bi系合金缺点的主要手段。
2 Ag、Cu添加对Sn-Bi合金的影响。
一种Sn-Zn-Bi-In系无铅钎料及其制备方法[发明专利]
![一种Sn-Zn-Bi-In系无铅钎料及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/162fe8c8e109581b6bd97f19227916888486b9da.png)
专利名称：一种Sn-Zn-Bi-In系无铅钎料及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：张敏,王新宝,高俊,张志强,朱子越,李毅,刘峻青申请号：CN202111395209.9
申请日：20211123
公开号：CN114346520A
公开日：
20220415
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种Sn‑Zn‑Bi‑In系无铅钎料，各组分按质量百分比包括
Zn8％，Bi0‑8％，In0.5％，以上组元质量百分比之和为100％；本发明还公开了其制备方法，按分质量百分比称取各原料，称取后对各组分进行清洗；将称取的Sn、Zn，放入石英坩埚进行熔融，倒入模具中得到合金1；将合金1与Bi、In进行熔融，倒入模具中得到合金2；将熔炼好的合金2倒入模具冷却，得到Sn‑Zn‑Bi‑In系无铅钎料。
本发明的材料对生态友好，原料来源广泛，成本低，具有较低熔点，以及较好的力学性能。
通过添铋、铋等合金元素，可以改善Sn‑Zn‑Bi‑In无铅钎料的润湿性、抗氧化性、力学性能、导电率等综合性能。
申请人：西安理工大学
地址：710048 陕西省西安市碑林区金花南路5号
国籍：CN
代理机构：西安弘理专利事务所
代理人：徐瑶
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第二相粒子改善Sn-Bi无铅焊料性能的研究现状
1熔化特性
传统Sn-Pb焊料熔点在183七，而Sn - Bi熔点过低，在工艺生产中,无铅焊料的熔化特性应该与Sn -Pb相近，这样可以沿用以往的设备仪器，避免成本的增加，另外可以减少钎焊过程中热输出对元器件电 路板的损害.
234 227 221
特点
熔点高、润湿性差 成本低、熔点高、润湿差 成本高、力学性能好、熔点偏高
Sn - Ag - Cu
Sn 一 Zn Sn-Bi Sn - In
1 < Ag<4
6 < Zn < 9 10 < Bi <58 10 < In <52
217
熔点180咒-200%：
19& 5 138 118
properties of Sn 一 Bi solder are mainly described・ The research results of solder modification work were dis cussed ,and finally the problems existing in the research process were briefly described, and the future develop ment direction of Sn - Bi series lead - free solders was prospected to provide a theoretical basis for the research
29
表2 Sn-Bi与Sn-Pb焊料主要性能 Tab. 2 Main properties of Sn - Bi and Sn - Pb solder合金Fra bibliotek熔点 /T
Sn-Zn系无铅钎料的研究现状及发展趋势
的ｓ ｎ — ｚ ｎ — Ａ ｌ 无铅钎料 ， 已将此类钎料应用 于半导体
预测 。
关键 词 ： 无铅钎 料
Ｓ ｎ —Ｚ ｎ 合金元素
润湿性
金属间化合物
中图分类号 ： Ｔ Ｇ ４ ５ ４
０ 前
言
料 的飞 速发展 ， 紧接 着 ， Ｍ ａ ｔ ｓ ｕ ｓ ｈ ｉ ｔ ａ ， Ｆ ｕ ｊ ｉ ｔ ｓ ｕ ， Ｓ ｈ ａ ｒ ｐ ， Ｔ ｏ ｓ ｈ ｉ
欧盟 Ｒ ｏ ｌＳ指令 在 ２ ０ ０ ６年 ７月 １日的正 式 生 效 ， 意味着 凡 是 进 入 欧 盟 市 场 的 电 子 产 品 必 须 实 现 无 铅 化； 在中国， 产 品外销 的企 业 已经 完成 了基 本 的无 铅 化 进 程 的导入 ， 部 分 生 产 内销 产 品 的企 业 虽 然 还 处 在 观
行 业 的 电子 电路组 装 （ Ｓ ＭＴ ） 和球 栅 陈列 封 装 （ Ｂ Ｇ Ａ） 工 艺， ３本 的 Ｎ １ ｉ ｈ ｏ ｎ Ｓ ｕ ｐ ｅ ｉ ｒ ｏ ｒ 公 司 已于 ２ ０ ０ ４年 １月 ２ ７ ３ １
开始生产和销售 ｓ ｎ — ｚ ｎ 共晶焊膏。 但是 ， ｓ ｎ — ｚ ｎ系无铅钎料也有其不足之处 。由于 ｚ ｎ的存在 ， 使得该系列的钎料普遍存在润湿性差、 抗氧 化性能及抗腐蚀性 能弱等 缺点 ， 这是制约该合金钎料 体 系在电子行业 中广泛应用 的最大 障碍 。因此 ， 国内 外学者针对 ｓ ｎ— ｚ ｎ 无铅 系钎料 的上述不 足开展 了大
Sn-Zn系无铅钎料润湿性的研究进展
２１ ０ 第 １ １年 １期 ２ ３
俘 掳 专题综述
表 １ 几 种 钎 料 合 金 的 表 面 张 力 值
能源 ， 减少钎剂的使用量 ， 同时还能保证相同的润湿性 能 。但是 氮气 保 护 钎 焊 尚存 在 不 足 ， 要 是 焊 后 印 刷 主 电路 板表 面锡 珠增 多 ， 同时氮气 的纯 度还 需要 注意 。
么 专题综述 ・ 掳 蜉
Ｓ — ｎ系 无 铅 钎 料 润 湿 性 的 研 究 进 展 ｎＺ
南京航 空航 天 大学材料 科 学与技 术 学￣ （ １０ ６ ２０ １ ）
摘要
韩 若男 薛 松柏 叶
焕
胡 玉华
综合分析 了 ｓ —ｎ系无铅钎料润湿性能 的研究现状 。分 析 了该系钎 料润湿性 能不足 的原因 ， ｎｚ 总结 ＿影 『
０ 前
言
金钎 料 在 固体 基 板 表 面上 铺 展 的能 力 ， 融 的钎 料 能 熔 否 与基 板 形 成 良好 的 润 湿 是 能 否 完 成 焊 接 的 关 键 。 与 Ｓ —ｂ钎 料 相 比 ，ｎｚ ｎＰ Ｓ ．ｎ系 无 铅 钎 料 的 润 湿 性 能 较
为 了避免铅 元 素 的 污 染 问 题 ， 全 世 界范 围 内开 在 始 限制 使 用 甚 至禁 止 使用 有 铅 钎 料 ， 究 新 型 的 无 铅 研 钎 料 已 成 为 当 今 需 要 探 索 、 克 的 课 题 之 一 ， 其 攻 尤
３ 改善 Ｓ － ｎ系无铅 钎料 润湿 性 的途径 ｎＺ Ｓ ．ｎ系钎料 成本 较低 、 源丰 富 、 学性 能优 良 ， ｎｚ 资 力
间 因温 度 升 高 而 缩 短 ， 湿 力 随 温 度 的 升 高 而 提 高 。 润 因此 ， 当提 高 温 度 有 助 于钎 料 润 湿 性 能 的改 善 。但 适 是 ， 高 温度也 会加 剧熔 融 钎 料 和基 板 的 表 面 氧化 Ｊ 升 ， 钎 料暴 露 在 空气 中后 ， 面 形 成 氧 化 膜 的速 度 较 低 温 表 时快 ， 过分 表 面 氧 化 限 制 了升 高 温 度 对 钎 料 润 湿 性 的 改 善效 果 。当温 度 超 过 ２５ｏ ， 料 表 面 已过 分 氧 ５ Ｃ时 钎 化 ， 料润 湿性 的 改善 幅度 不 明显 。所 以 ， 能 无 限 制 钎 不 地 依靠 升 高温度 来 改善钎 料 的润 湿性 。
无铅焊料研究报告范文
无铅焊料研究报告范文摘要：随着环保意识的增强和环境法规的执行，无铅焊料正在逐渐取代传统的含铅焊料，成为电子制造业中的主要焊接材料。
为了研究无铅焊料的性能和应用前景，本报告对无铅焊料的研究现状、性能特点以及未来发展进行了详细介绍并进行了实验验证。
研究结果表明，无铅焊料具有较高的焊接强度和优良的导电性能，可以满足电子制造业对焊接材料的要求。
未来，无铅焊料还将继续优化和创新，以更好地适应电子制造业的发展需求。
1. 引言无铅焊料是近年来发展起来的一种环保焊接材料，由于其无铅成分，可以有效减少对环境和人体健康的危害，逐渐受到了广泛的关注和应用。
本报告旨在对无铅焊料进行全面的介绍和研究，为电子制造业提供参考和指导。
2. 无铅焊料的研究现状无铅焊料的研究起步较晚，但近年来得到了较快的发展。
目前，国际上已经具备了一定的无铅焊料研发和生产能力，尤其在电子领域得到了广泛应用。
同时，无铅焊料相关的研究机构和标准也逐渐完善，为无铅焊料的应用提供了保障。
3. 无铅焊料的性能特点无铅焊料相比传统的含铅焊料具有以下性能特点：- 环保：无铅焊料不含有害重金属铅，对环境和人体健康无危害。
- 高强度：无铅焊料具有较高的焊接强度，可以满足电子制造业对焊接强度的要求。
- 良好的导电性能：无铅焊料导电性能优良，可以保持焊接点的导电性能。
4. 无铅焊料的应用前景无铅焊料在电子制造业中的应用前景广阔。
随着环保意识的增强，越来越多的企业开始积极推广和应用无铅焊料。
同时，无铅焊料还将继续优化和创新，以提高其焊接性能和适应性，更好地满足电子制造业的需求。
5. 实验验证本报告进行了一系列实验验证，以验证无铅焊料的性能和应用前景。
实验结果表明，无铅焊料具有较高的焊接强度和优良的导电性能。
与传统的含铅焊料相比，无铅焊料在环保性能和工艺特点上具有明显优势，并且可以与现有的焊接设备和工艺相兼容。
6. 结论无铅焊料作为一种环保焊接材料，在电子制造业中具有广阔的应用前景。
从专利角度探讨Sn-Zn无铅焊料研究现状
ｏ ａ —ｒ ｅｓ ｌ ｅ ｓａｌｏ ｅ ｈ ｒｄ ａ ｄ ａ ｐ ｉａｉ ｎ ｓａｕ ｆＳ — ｅ ｄ ｆｅ ｏ ｄ ｒ ｆｌ ｄ ｆｅ ｏ ｄ ｒ ｌ ｖ ｒｔ ｅｗｏ ｌ ｎ ｐ ｌｃ ｔｏ ｔ ｔｓｏ ｎ Ｚｎ ｌａ —ｒ ｅｓ ｌ ｅｓ， ａ ａｙ ｅ ｈ ｅ ｅ— ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔｅｄ ｖ ｌ ｏ ｍｅ ｔ ｎ ｐ ｌｃ ｔｏ ｆＳｎ Ｚｎｌａ —ｒ ｅｓ ｌｅ ｓ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓａ ｄ ａ ｐ ｉａｉｎ ｏ ｓａ ｌ ｆＳ — ａ —ｒ ｅ ｐ ｎ ｄ ａ ｐ ｉａｉ ｎｏ — ｅ ｄ ｆｅ ｏｄ ｒ ａ ｈ ｒｃｅ ｔ ｎ ｐ ｌ ｔｏ ｂ ｔ ｃｅｏ ｎ Ｚｎ ｌ ｄ ｆｅ ｉ ｃ ｃ ｅ
料的电子 产品废弃物剧增 ，且回收 困难 。传统上采用
的填埋处理法污 染水 源 ，对人畜 生存构 成巨大威胁 。 鉴于此 ， 工业 发达 国家 已纷纷立法 限制含铅焊料
动 ；我 国信息 产业部 及其有 关部 门一起着 手制定 在
２ ０ 年 ７ １日全面禁止含铅焊料的使用法规 。 ０６ 月 与此同时 ，工业发达国家的企业在无铅焊料研发 的过程中 ，不仅在所在 国，而且在 中国进行 了大量的 专利 申请 ，进行专利战略 ，以达到在市场竞争中 占领 制高点 的 目的。众所周知 ，我国电子 产品的消费市场
Ｚ ｎ无铅焊料 的研 发及应 用状况 、专利 Ｓ —ｎ无铅 焊料的特点以及应 用障碍 ，以期 对我 国 自主知识产权 ｎＺ 的 Ｓ － ｎ无铅焊料的研发及无铅专利保护有所帮助。 ｎＺ 关键词 ：无铅 焊料 ；专 利 ；Ｓ — ｎ Ｚｎ合金 中图分类号 ：Ｔ ０ ． Ｎ３ ５９ ４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ８ －０ ０（ ０ ６）１ —０ １０ ６ １１７ ２ ０ ００ ０ —４
无铅焊料研究报告
无铅焊料研究报告一、引言随着环境保护意识的提高，无铅焊料逐渐成为电子行业的主流选择。
与传统的含铅焊料相比，无铅焊料的优点在于环保、健康和性能优越。
本报告将对无铅焊料进行研究并进行详细分析。
二、无铅焊料的定义无铅焊料是一种不含铅成分的焊料，可以用于电子组装和其他焊接应用中。
它通常包含其他金属合金，如锡、银、铜等，以及一些添加剂来提高焊接性能和可靠性。
三、无铅焊料的环境优点1.减少有害物质释放：传统的含铅焊料在焊接过程中会释放大量有害的铅蒸汽和焊接烟尘，对工人和环境造成危害。
无铅焊料可以减少有害物质的释放，降低环境污染。
2.节约资源：传统的含铅焊料需要大量的铅资源，而铅是一种有限资源。
无铅焊料可以减少对铅的需求，节约资源成本。
四、无铅焊料的健康优点1.降低铅中毒风险：含铅焊料在长期使用过程中，工人可能会受到铅中毒的风险。
铅中毒对健康造成严重影响，甚至可能导致中枢神经系统的损伤。
使用无铅焊料可以有效降低铅中毒风险，保护工人的健康。
2.提高室内空气质量：传统的含铅焊料在焊接过程中会释放有害的铅蒸汽和烟尘，影响室内空气质量。
使用无铅焊料可以改善室内空气质量，保证工作环境的舒适和健康。
五、无铅焊料的性能优点1.良好的焊接性能：无铅焊料在焊接过程中具有良好的可湿润性和流动性，使焊接表面更均匀，提高焊接质量和可靠性。
2.减少焊接温度：无铅焊料可以在较低的焊接温度下完成焊接，减少热量对基板和元器件的影响，避免焊接变形和损坏。
六、无铅焊料的应用领域无铅焊料广泛应用于电子行业的各个领域，包括电子组装、电子焊接、电子维修等。
在现代电子产品中，大多数电子设备都选择使用无铅焊料。
七、无铅焊料的研究进展1.新型合金研发：研究人员正在不断开发新型无铅焊料合金，以改善焊接性能和可靠性。
2.焊接工艺优化：研究人员还在研究如何优化无铅焊料的焊接工艺，使其更适合不同类型的焊接需求。
八、结论无铅焊料作为一种环保、健康和性能优越的焊料，在电子行业中得到广泛应用。
铝铜钎焊用Sn—Zn基无铅钎料的研究
线胀系 （ １ ０ ／ Ｋ ）
２ ４
弹性摸量 ／ ａ
６ Ｌ ７ ４
综合 来看钎料 中锌 的含量对于材料本身性能有着至关重要 的影响 ， 当
锌 含量 逐 渐 上 升 时接 头 剪 切 强 度 也将 随 之 上 升 。 为 了 让 钎料 的 防腐 能 力得
在金属连接结 构实际应用过程 中由于不同金属材料所 具备的物理性 质 以及化学性质存在着 较大 的差异 ， 例如不同金属的强度、 热膨胀性 、 密度 等均有所不同， 而这些属性 的差异将会给金属连接带来 直接阻碍Ⅲ 。 例 如冶 金不相容性差异表现较 大时将会在金属表面 出现生脆性化合物相 ， 同时出 现热物理性能无法契合 时将会 导致残余应力出现。 在某些特 殊情况 下由于 母 材 金 属 性 能 差 异程 度 巨大 将 会 导 致 界 面 力 学 失 配 ，使 得 金 属 难 以连 接 ， 甚至对金属整体性结构产生影 响。 为 了让金属连接能够顺利进行就需要对 此环节进行完善， 通过利 用合理 的连接材料并对相关工艺进行 改善 。 １ ． 铝铜连接技术概述 以下为铝铜两种 材料物 理及化学性质差异， 具体如下表所示 ： 表 １铝 铜 化 学 性 能 差 异
以提升就 需要增 强接头 的抗腐蚀性能，一般情况下腐蚀区域位于铝侧面 。 通过加入锌使得铝侧 结合力得 以提升 ． 这有 效改善 了接头 力学性能 ， 也从 定程度上增进 了接头 的抗腐蚀性能 。以团簇、 连接原子理论作为基础 设
一
铜
１ ０ Ｂ ３
８ ．
３ 围． ２
ｌ ６ ． ６
ｌ Ｏ ７ ８
从 铝铜焊接情况来看铝性质较 为活泼 ， 即便置 于空气当中也会被氧化 并且在表面生成一层致密的氧化膜 ， 即便是铝 合金也会在表面生成一层氧 化膜 。 然而铜却不 易被氧化， 但其表面也会存在养护膜。 基 于以上特性使得 铜铝钎焊过程 中会更深一步氧化， 从而产生新的氧化膜从而使得钎焊无法 形成 有 效接 头 ， 因此 若 要 保 证 铝 铜 有 效 钎 焊 就 必 然 要 采 取 相 关 工 艺 来 抑 制 氧化膜 的生成或将其除去目 。从脆性角度来看铜铝及外层 电子结构差异性 显著， 这 也从侧面放映 出铜铝间的冶金不相容性差异明显。一方面在固态 条件 下铝铜存在形式 以化合物为主 ，并且两者直接可生成多种化合物 ， 由 于这 个 过程 中会 出现 极 脆 的金 属 间 化 合物 相 ， 因 此 在焊 缝 出 现 后 将 会 导 致 铝铜接 头性 能下降。另外残余应力、 气孔以及接 头腐蚀性 问题等均会给实 际钎焊 带来影 响。 ２ ． Ｓ ｎ — Ｚ ｎ 基无铅钎料性能分析 从性能上来看 Ｓ ｎ － Ｚ ｎ基无铅钎料无论是在铜表面还是铝表面上均有
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。
Sn_Zn系无铅焊料合金的可靠性研究进展(1)
另外, 回流焊工艺还影响 IMCs 的形貌。研究表 明[ 10] , 随着回流焊温度的升高, Sn 9Zn 和 Cu 基板反
应生成的板状富 Zn 相增多, Cu Zn 层增厚, 而 Sn Pb
及 Sn A g Cu 和 Cu 基材主要生成 Cu6 Sn5 IMC 层。随
着回流焊时间的增加, Sn 9Zn, Sn Ag Cu, Sn P b IMCs
2 Sn Zn 系无铅焊料的主要失效模式
无铅焊点的可靠度目前尚无法与 SnPb 相比, 特别是在机械冲击或时效过程中, 非常容易引起焊 点的提早破坏[ 2] , 脆化的机理会因为焊接表面镀层 的不同而有所差异, 但不论是何种表面处理, 似乎都 不能避免焊点脆化的发生, 因此对于工作环境温度 较高, 或是经常受机械冲击的无铅产品而言, 测评焊 点的可靠度是不容忽视的重要环节[ 3] 。
增加不明显; 而 Sn 8Zn 3Bi/ Cu, 由于 Bi 抑制了富 Zn
相的形成, 加速了 Zn 向 Cu 表面的扩散, 所以形成更
多的 Cu Zn IM C, 厚度也明显增加。 近来有许多报告指出, SnAgCu 无铅焊料与 Cu
基板的接点在时效时, 会发生焊点强度急速弱化现 象[ 3] , Chiu 等人[ 11] 已经发现在时效过程中, 克肯多微 孔( Kirkendall V oid) 会在 Cu6Sn5/ Cu 界面上生成, 并 影响焊点的强度, 如下图 3 所示。SnZn 系焊料虽然 在反应初期与 Cu 主要形成 CuZn IMCs, 但是随着时 效时间的增加, 界面会形成 Cu6Sn5 化合物, 并且由于 Zn 扩散到铜基体的速率高于 Sn 扩散到界面的速率, 因此在 IMCs 形成过程中, 界面上就会开始有微孔出 现。
Sn_Bi_Sb无铅焊料微观结构及性能
Sn-B i-Sb 无铅焊料微观结构及性能王大勇,顾小龙(浙江省冶金研究院亚通焊材有限公司,浙江 杭州 310021)摘 要:研究了Sn-(1.3~1.5)B i-(0.4~0.6)Sb 无铅焊料的制备工艺和微观组织,并测试了钎料的相关物理、力学性能,阐述了焊料的力学性能与微观结构特征间的关系。
试验测试结果表明:该焊料具有较高的强度和塑性,具有良好的润湿铺展性和机械加工性能。
焊料微观结构由(Sn)、B (SbSn)第二相和(B i)所构成,其抗拉强度为55.4MPa ,延伸率为35.9%,扩展率为80.6%,熔点为226.9e ~234.4e 。
关键词:无铅焊料;制备工艺;微观组织;力学性能中图分类号:TN 604 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2010)01-0016-04M icrostructure and Properties of Sn -Bi -Sb Lead -free Sol derW ANG Da -yong ,GU X iao -long(Zhejiang A sia General Sol d ering&BrazingM aterial CO .,LTD of ZhejiangM etall u rgical R esearch Institute ,Hangzhou 310021,Chi n a)Abst ract :The research explores the m anu fact u ring process ,m icrostructures ,m echan ica l and physica l properties of Sn-(1.3~1.5)B i-(0.4~0.6)Sb so lder ,and ana l y ses the re lation bet w een m echan ica l properties and m icrostructures of the so l d er .The results sho w s that the so lder has h i g h strength and duc-ti b ility ,good w ettab ility and m anufacturi n g property .Its m icrostructure consists o f(Sn),B (SbSn)and (B i).And the so l d er has the tensile streng t h of 55.4M pa ,the elongation o f 35.9%,the spread rate o f 80.6%,and the m elti n g po i n t o f 226.9e ~234.4e .K ey w ords :Lead-free so l d er ;Process ;M icrostructure ;M echan ical pr opertiesDocu m ent Code :A A rticle ID :1001-3474(2010)01-0016-04铅对人类身体健康和生态系统的危害均较大,正是由于铅的危害性,人们越来越关注铅的污染问题,提出重视环保,提倡绿色制造,这已是电子行业的大势所趋[1,2]。
Sn-Zn系无铅焊料抗氧化性和润湿性研究现状
众所周 知 ，Ｐ 及 它 的化 合物是 有毒 物质 ，人类 长期 接 ｂ 触会 给生活 环境和 安 全带来 较 大的危 害 。 ２ ０ 年 ７ ０６ 月
理 机械 性 能等 ，开发 出价格 低廉 、无 毒性 、性能 可与 Ｓ— ｂ ｎ Ｐ 相媲 美的新 型无铅焊料 。
１ 日欧盟 全面 实施 Ｒ Ｈ ￣ 令 ，即 《 止在 电子 电气 产 ｏｓ 禁 品 中 使 用 某 些 有 毒 有 害 物 质 的 法 规 》 。 我 国 也 在 ２０年３ １ ０ ７ 月 日实 施 《电子信 息产 品 污 染 控 制 管理 办 法 》 ，电子 制造 无铅 化 已成 为 不可逆 转 的潮流 。 实现
电子 制造 的全面 无铅 化 ，以减 少环境 污 染 ，提 升绿 色 制造 竞争 能力 ，以适 应 国内外市 场对 绿 色 电子 产 品的
需求 ，是 电子制造业 今后势在 必行 的举 措。
二 、Ｓ — ｎ ｎ Ｚ 焊料性质
由常用 钎料元素毒性顺 序（ｉＺ ＜ｎ Ｓ ＜ ｇ Ｐ ）ｊ Ｂ＜ ｎ ｌ＜ ｂ Ａ ＜ ｂ－ ｕ －
维普资讯
一 文／郭萍、 曾明 、程利武
Ｓ — Ｚ 系无铅焊料 抗氧化性和润 ｎ ｎ 湿性 研 究现 状
摘 要 Ｉ ｎ Ｚ 无铅 焊料 由于 熔点接 近Ｓ — ｂ —ｎ Ｓ ｎ Ｐ 、价格低 廉 、无 毒性 、力学性 能优 良等 特点 ，倍 受人们 的关注 。然
而由于ｚ 的表面活性高 ， ｎ 在钎焊过程中焊料容易氧化，导致了润湿性能下降。本文综述合金元素对Ｓ — ｎ ｎ ｚ 无铅焊
料氧化性能、润湿性的影响。并对Ｓ — ｎ ｎ ｚ 焊料今后的研究方向进行了简要分析。 关键词 Ｉ 无铅焊料 ；表面活性 ；抗氧￣ ／ ；润湿性 －１ ｂ ％
Sn_Bi_Sb无铅焊料研究
231
T able 1 Scheme and results of tests
Designed mat rix Test N o. x1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 1 0 1 - 1 0 1 - 1 0 1 x2 - 1 - 1 - 1 0 0 0 1 1 1 x0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Test resu lt s, y T ensil e st rengt h/ Elongat ion/ % 53. 6 26. 9 22. 4 58. 0 28. 1 24. 8 50. 5 25. 3 18. 8
Abstract: A new t ype of Sn Bi Sb lead f ree solder has been dev elo ped. Bi and Sb elements have eff ect on solder m echanical proper ties, and Bi is t he key element . Sn 1. 38Bi 0. 49Sb is t he o pt imized solder, w hich t ensile st rengt h is 55. 4M Pa, elongat io n is 35. 9% , ex pandabilit y is 80. 6% , melt ing t em pera t ure is 225~ 229 , and r elat ive cost is 1. 478. T he experiment al result s show t hat Sn 1 38Bi 0 49Sb solder has no t only bet ter physical and mechanical propert ies, but also lo w er co st . Key words: lead f ree solder; m echanical pro pert ies; physical propert ies 铅能严重损伤人的神经系统和肾脏等器官 , 破坏 生态系统 , 危害较大。人们认识到铅的危害性 , 越来越 关注铅的污染问题, 提出重视环保 , 提倡绿色制造, 这 已是电子行业的大势所趋
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焊料的密度约为传统 Sn-37Pb 焊料的 3/4；熔点（依次为 194 ℃，191.9 ℃）接近 Sn-37Pb 焊料，熔程仅为 8 ℃；在 25~100 ℃，新型 Sn-Zn 焊料线膨胀系数依次为 20.8×10–6/℃、16.9×10–6/℃，优于 Sn-37Pb 焊料（21.2×10–6/ ℃）；新 型 Sn-Zn 焊料的电阻率依次为 1.73×10–6 Ω·m、1.79×10–6 Ω·m，优于 Sn-37Pb 焊料（1.96×10–6 Ω·m）；新型 Sn-Zn
30
4
4 mm
1.2.4
图 1 线膨胀测试试样 Fig.1 Sample for linear expansion test
电阻率
根据金属材料电阻系数测量方法国家标准 GB/T
351-1995[9]，用线切割制备试样，尺寸为 1 mm×10
mm×10 mm，如图 2 所示。试样切割后，用#1000 水
Vol.33 No.11
96
王正宏等：Sn-Zn-Bi-In-P 新型无铅焊料性能研究
Nov. 2014
Ag、In、P、RE 等元素，改善综合性能，以满足 Sn-Zn 系无铅焊料的实用化要求[5]。
Chen 等[6-7]研究表明：向 Sn-Zn 系合金中加入适 量的 Bi、In、P 元素，能显著改善合金的抗氧化性。 据此，笔者开发了两种新型焊料合金 Sn-4.5Zn-2BiIn-P 和 Sn-9Zn-2.5Bi-In-P，对其进行物理性能研究， 并与 Sn-37Pb 焊料进行对比，验证这两种新型焊料的 实用性。
目前，人们对无铅焊料合金的研究主要集中在 Sn-Ag 系、Sn-Bi 系、Sn-Cu 系、Sn-In 系和 Sn-Zn 上[2-4]。 其中，Sn-Zn 系无铅焊料由于熔点低、力学性能优异、 原料储量大、成本低廉等因素备受青睐。但 Sn-Zn 系无铅焊料对铜基体的润湿性较差，且抗氧化能力 和抗腐蚀能力不强，阻碍了其实用化进程。目前， 主要通过合金化的方法，在无铅焊料合金中添加 Bi、
图 2 电阻率试样 Fig.2 Sample for resistivity test
润湿角
根 据 钎 料 润 湿 试 验 方 法 国 家 标 准 GB/T
11364-2008[10]准备实验材料：采用线切割将 3 mm 厚
紫铜板裁剪为 40 mm× 40 mm 方形铜片，依次用
#200，#400，#600，#800，#1000，#1200 水砂纸打磨
取下陶瓷基板，冷却，得到球状焊料；（5）将球状
试样超声清洗，干燥，备用。
将直径 1~2 mm 的球形焊料置于撒有松香助焊
剂的紫铜基板上，一同平放于 YS-300S 型热板上，
加热到 250 ℃，保温至焊料完全融化并自由铺展，
第 33 卷 第 11 期
王正宏等：Sn-Zn-Bi-In-P 新型无铅焊料性能研究
第 33 卷 第 11 期 2014 年 11 月
研究与试制
电子元件与材料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS
Vol.33 No.11 Nov. 2014
Sn-Zn-Bi-In-P 新型无铅焊料性能研究
王正宏，于红娇，李胜明，马莒生，张 弓
（清华大学 机械工程系，北京 100084）
Abstract: Due to the excellent oxidation resistance and corrosion resistance, which make up for the wet ability deficiency of Sn-Zn solder, new lead-free solder Sn-4.5Zn-2Bi-In-P and Sn-9Zn-2.5Bi-In-P have great practicability. The physical properties: density, melting point, linear expansion coefficient, resistivity and wetting angle on copper substrates of all four solders:Sn-9Zn, two new Sn-Zn lead-free solders and Sn-37Pb were measured. Experiments show that, the density of new Sn-Zn lead-free solder is 3/4 of the density of Sn-37Pb; melting point(194 ℃, 191.9 ℃, respectively) is close to Sn-37Pb, and melting range is only 8 ℃; during 25－100 ℃, the linear expansion coefficients of Sn-4.5Zn-2Bi-In-P and Sn-9Zn-2.5Bi-In-P are 20.8×10–6/℃，16.9×10–6/℃, respectively, better than Sn-37Pb(21.2×10–6/℃); Resistivities of Sn-4.5Zn-2Bi-In-P and Sn-9Zn-2.5Bi-In-P are 1.73×10–6 Ω·m, 1.79×10–6 Ω·m, respectively, better than Sn-37Pb (1.96×10–6 Ω·m); wetting angle on Cu substrate of two new Sn-Zn lead-free solder is about 30°,which meets the minimum requirements of practicability.
焊料对 Cu 基体的润湿角接近 30°，满足实用化的最低要求。
关键词: 无铅焊料；Sn-Zn-Bi-In-P；密度；熔点；线膨胀系数；电阻率；润湿角
doi: 10.14106/ki.1001-2028.2014.11.023
中图分类号: TN604
文献标识码:A
文章编号:1001-2028（2014）11-0095-04
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密度/ (g·cm–3) 线膨胀系数/10–6℃–1
取下紫铜基板，室温冷却，得到润湿实验试样。用 游标卡尺测量焊料凝固后的高度 H，并记录。润湿 过程示意图如图 3。
焊料
紫铜 基板
焊料
图 3 润湿过程示意 Fig.3 Wetting process diagram
在软钎焊过程中，物理润湿占主导地位，反应 润湿可忽略[2]。基于实验的条件，做出以下合理假设：
Key words: lead-free solder; Sn-Zn-Bi-In-P; density; melting point; linear expansion coefficient; resistivity; wetting angle
传统锡铅焊料使用历史约有 2000 余年[1]，因其 优异的性能和低廉的成本，被广泛应用于现代电子 封装工业。但铅及其合金有毒，在用量超标的情况 下严重威胁人类健康和环境安全，欧盟、美国和日 本等国先后出台了相关政策来限制或禁止含铅焊料 的使用，因此电子产品无铅化已成为必然趋势。开 发能替代传统锡铅焊料的无铅焊料成为研究热点。
摘要: 新型无铅焊料 Sn-4.5Zn-2Bi-In-P、Sn-9Zn-2.5Bi-In-P 具有优异的抗氧化、抗腐蚀性能，弥补了 Sn-Zn 系
焊料润湿性能方面的不足，具有极大的实用性。测量了共晶 Sn-9Zn、两种新型 Sn-Zn 系无铅焊料和传统的 Sn-37Pb
焊料的各项物理性能：密度、熔点、线膨胀系数、电阻率及对铜基体的润湿角。实验结果表明，新型 Sn-Zn 系无铅
根据金属材料热膨胀特征参数的测定国家标准 GB/T 4339-2008[8]，用线切割制备试样，尺寸为 4
mm× 4 mm×30 mm，如图 1 所示。试样切割后，用#600 水砂纸将试样两端打磨平整，超声清洗 10 min，去 除表面污垢。用 NETZSCH DIL 402EP 型热膨胀仪 对 Sn-9Zn、Sn-4.5Zn-2Bi-In-P、Sn-9Zn-2.5Bi-In-P 试 样进行测量，升温速率为 5 ℃/min，测试温度区间为 25~100 ℃。每组实验重复 3 次，取平均值。
Property study of Sn-Zn-Bi-In-P lead-free solder
WANG Zhenghong, YU Hongjiao, LI Shengming, MA Jusheng, ZHANG Gong
(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
砂纸将试样上下表面打磨平整，超声清洗 10 min，
去除表面污垢。用 FSQSB36 型电阻率测试仪对
Sn-37Pb、Sn-9Zn、Sn-4.5Zn-2Bi-In-P、Sn-9Zn-2.5Bi-
In-P 试样进行测量，测量时保持室温 25 ℃。每组实
验重复 5 次，取平均值。
1
10
10 mm
1.2.5
一侧表面，抛光，清洗，干燥。为去除焊料原始形
状对润湿实验的影响，制备球状的焊料试样。
球状焊料的制备过程如下：（1）用手术刀切割
质量约为 0.2 g 的焊料片；（2）称量好的焊料片放在
撒有松香助焊剂粉末的高导热氧化铝陶瓷基板上；
（3）把载有焊料片的陶瓷基板平放置于 YS-300S 型
热板上，加热到 250 ℃，保温至焊料缩聚成球状；（4）
收稿日期：2014-08-17 通讯作者：王正宏
作者简介：王正宏（1990－），男，湖南衡东人，博士研究生，研究方向为电子封装等，E-mail: wangzh9013@。 网络出版时间： 2014-10-31 13:56 网络出版地址： /kcms/doi/10.14106/ki.1001-2028.2014.11.023.html