焊料成分 性能分析

焊料成分、性能分析（1）
杭州辛达狼焊接科技有限公司王大勇
1.焊料
焊料是钎焊用材料，已有4000余年的使用历史，其熔点比被焊母材低。

钎焊过程中将焊料加热到高于焊料熔点，而低于母材熔点的温度，焊料熔化后填充接头间隙并与母材发生冶金作用，从而实现材料的连接。

用焊料焊接材料具有灵活、简单、不需大的设备投资等优点，在电气工程材料领域占据极为重要的地位。

焊料的种类较多，根据熔点可分为软焊料和硬焊料两大类。

通常将熔点低于450℃的焊料称为软焊料，而熔点高于450℃的焊料称为硬焊料。

电气工程用软焊料包括锡铅、锡基无铅、金基、铟基、铋基和锌基焊料等；所用硬焊料包括银基和铜基焊料等。

1.1焊料型号和牌号的表示方法
1.1.1焊料的型号
GB/T6208-1995《焊料型号表示方法》规定，焊料的型号由两部分构成：第一部分用大写字母来表示焊料的类型，“S”表示软焊料，“B”表示硬焊料；第二部分合金主元素符号构成，且每个型号最多只能标出六个元素符号。

型号表示方法及示例如下：
1.1.2焊料的牌号
原机械工业部编写的《焊接材料产品样本》规定，焊料牌号由三部分构成：（1）字母“HL”表示焊料；
（2）牌号的第1位数字表示焊料的化学组成类型，见表4.7-1；
（3）牌号的第2、3位数字表示同一类焊料的不同牌号。

牌号表示方法示例如下：
表4.7-1焊料牌号中第1位数字的含义
牌号化学组成类型牌号化学组成类型HL1××铜锌合金HL5××锌合金
HL2××铜磷合金HL6××锡铅合金
HL3××银合金HL7××镍基合金
HL4××铝合金
1.2焊料的选用原则
焊料的种类较多，其选用主要遵循以下原则：
（1）主成分尽量与母材主成分相同，焊料的成分与母材相同，钎焊时具有良好的润湿性。

（2）熔点合适，即焊料的液相线温度要低于母材固相线温度至少40-50℃（3）焊料中的某一重要组元应能与母材产生液态互溶，从而能形成牢固的结合。

但焊料与母材间的相互作用应尽可能避免形成脆性金属间化合物，
避免因母材的过分溶解而导致溶蚀。

（4）焊料与母材的主成分在元素周期表中的位置应尽量靠近，这样的焊料引起的电化学腐蚀较小，即接头的抗腐蚀性好。

（5）焊料与母材间的热膨胀系数要匹配，如果二者热膨胀系数相差较大，则焊料/母材的界面处易形成残余应力集中，将严重弱化焊点的热疲劳性
能。

（6）焊料与钎焊方法相匹配。

不同的钎焊方法对焊料的要求不同，如真空钎焊时，焊料中应不含有蒸汽压高的合金元素，以避免污染真空系统。

（7）在钎焊温度下，焊料的主要成分应具有较高的化学稳定性，即具有较低的蒸汽压和低的氧化性，以免钎焊过程中焊料成分发生改变。

（8）满足使用要求，即获得的钎焊接头的力学性能（强度、塑性等）和物理化学性能（导电、导热、抗氧化和耐腐蚀等）能满足被焊件的工作状态
要求。

（9）生产成本低。

1.3电气工程常用焊料
1.3.1锡铅焊料
锡铅焊料熔点低、耐腐蚀性好，对铜、铜合金和钢润湿性好，广泛应用于电气零部件、元件及引线连接以及普通端子和印刷电路板的连接等方面。

虽然无铅封装和组装已经是大势所趋，但在一些特定领域尚没有开发出合适的无铅焊料，如服务器、存储器、微处理器以及针型压接连接器等方面使用的高熔点、高铅含量的锡铅焊料无法用无铅焊料进行替代，仍然在欧盟指令和我国指令的豁免条款之内。

因而，锡铅焊料的使用量虽然在逐年递减，但目前仍有较大的应用价值和使用范围，本文仍然对其进行了详述介绍。

锡铅合金共晶成分中铅的质量份数为38.1%，共晶温度为183℃，图4.7-1为Sn－Pb 二元合金相图。

表4.7-2列出了常用锡铅焊料的化学成份和部分物理、力学性能。

根据接头或焊点的电气性能、力学性能要求，工作温度在150℃以下的选用高锡的锡铅焊料，工作温度在200℃以上的选用高铅焊料。

钎焊通信电缆用铅被覆护套时，为使作业时间充裕，应使用35％-40%Sn的锡铅焊料；电器接线用的软焊料，要求焊点隆起，应选用50%Sn左右的焊料。

图4.7-2给出了锡铅焊料密度、电导率、热导率、抗拉强度、抗剪强度和延伸率等性
能随铅含量的变化。

由图可见，铅含量增加，锡铅焊料的密度增大，而热导率和电导率却迅速降低。

强度和延伸率均出现峰值，强度的峰值出现在铅含量为20％左右时，延伸率峰值出现在铅含量为67％和80％左右。

锡铅焊料中加入锑，可提高焊料的抗氧化性，并提高接头热稳定性能；加入银可细化晶粒并提高耐蚀性。

表4.7-3为添加微量合金元素的锡铅焊料的化学成份、性能和应用领域。

采用Sn－Pb焊料钎焊不同母材时的接头强度见表4.7-4。

表4.7-5~表4.7-7分别列出了Sn－Pb焊料在不同工作温度下的力学性能。

图4.7-1锡铅二元合金相图
表4.7-2Sn－Pb焊料的化学成份及性能
化学成份
/（质量分数，％）密度/
g/cm3
熔化温度/℃
抗拉强度/MPa延伸率/%电阻率/μΩ·m线膨胀系数/×10-6/℃
Pb Sn固相线液相线
01007.31232232194312.8522.4 10余量7.571832204325－26 20余量7.871832084522－－25余量8.021*********－－38余量8.35183183413414.1324.7 50余量8.87183209363215.82－60余量9.31183235326317.0725.0 67余量9.611832503266－－70余量9.691832563358－－75余量9.941832652852.1－－80余量10.2183277286720.526.5 82余量10.21832772867－26.0 85余量10.32252872441－－90余量10.82653022232－24.6 95余量11.0300314－21－－100011.432732711452029.5
20
40
60
80
100
789101112密度/(g /c m 3)
w(Pb)/%
(a)密度
20
40
6080
100
7
89101112
1314 电导率w(Pb)/%
电导率/(s /m )
0.300.35
0.400.450.500.550.60
0.65
0.70
热导率/(W /m .k )
热导率
(b)电导率
20
40
60
80
100
10
152025303540
455055延伸率/%
w(Pb)/%
抗拉强度 抗剪强度强度/M P a
102030
40506070 延伸率
(c)力学性能
图4.7-2Sn －Pb 焊料的物理、力学性能
表4.7-3Sn－Pb焊料添加微量合金元素后的性能
型号
化学成份
/wt％
密度
/g/cm3
熔点
/℃
抗拉
强度
/MPa
延伸率
/％
电阻率
/μΩ.m
特点及应用Pb其它Sn
S-Sn60Pb39Sb139Sb：1余
量
8.5
183-
185
46340.145
熔点低，流动性好。

用于钎焊工作温度较低及
要求钎缝光洁的零件，如无线电零件、电气开
关、计算机零件、易熔金属制品及热处理件等
S-Pb80Sn18Sb2余量Sb：21810.23183-
277
27670.220
熔点高，凝固区间大。

用烙铁进行钎焊比较困
难，力学性能较差，主要用于钎焊铜及铜合金
和镀锌铁皮等强度要求不高的零件
S-Pb68Sn30Sb2余量Sb：2309.69183-
256
32-0.182
润湿性和力学性能较好，常用于钎焊铜、黄铜、
铁、镀锌铁皮等，如散热器、仪表、无线电元
件、电缆护套等产品，应用较广
S-Pb58Sn40Sb2余量Sb：2409.31183-
235
37630.170
熔点低，润湿性好，可得到较光洁的表面，力
学性能较好。

常用于钎焊铜及铜合金、钢、锌
制零件，如散热器、无线电及电气开关设备、
仪表等，是应用最广的锡铅焊料
S-Sn89.9Pb10Sb0.110Sb：0.1余
量
-
183-
222
42250.12铅含量低，适宜于钎焊食品器皿及医疗器材等
S-Pb92Sn5.5Ag2.5余量Ag：2.5 5.5-295-
305
34--
高温强度较高，用于铜及铜合金和钢的烙铁钎
焊及火焰钎焊
续表4.7-3
型号
化学成份
Wt％
密度
/g/cm3
熔点
/℃
抗拉
强度
/MPa
延伸率
（％）
电阻率/
μΩ.m
特点及应用Pb其它Sn
S-Sn60Pb39.239.2Sb：0.860-183-
185
46--力学性能和熔化温度与S-Sn60Pb39Sb1相近
S-Sn50Pb49.2Sb0.8余量Sb：0.850-183-
210
37320.156
常用于钎焊铜、黄铜、镀锌或镀锌锡铁皮等，
可钎焊散热器、计算机零件和发动机过滤器
等
S-Pb94Sn1.5Ag5.5余量Ag：5.5 1.5-302-
304
---
熔点高，凝固区间小。

用于钎焊板金件和热
交换器等高温工作的产品
S-Pb97.5SnAg1.5余量Ag：1.51-309---共晶型焊料，熔点高。

用于钎焊板金件和热交换器等高温工作的产品
S-Pb90Sn8Ag2余量Ag：28-285-
295
34670.216
熔点高，凝固区间小。

用于钎焊板金件和热
交换器等高温工作的产品
表4.7-4锡铅焊料钎焊接头的力学性能
型号焊料强度
/MPa
母材
接头强度/MPa
抗拉强度剪切强度
S-Sn60Pb39Sb146纯铜
黄铜
钢
93
78
96
34
34
35
S-Pb80Sn18Sb227
纯铜
黄铜
低碳钢
镀锌铁皮
镀锡铁皮
1Cr18Ni9Ti
84
92
102.8
－
－
－
37
37
49.9
42.1
46.0
21.5
S-Pb68Sn30Sb232
纯铜
黄铜
低碳钢
镀锌铁皮
镀锡铁皮
1Cr18Ni9Ti
76
86
112
－
－
－
36
37
49.0
41.1
35.2
32.3
S-Pb58Sn40Sb237
纯铜
黄铜
低碳钢
镀锌铁皮
镀锡铁皮
1Cr18Ni9Ti
76
78
112
－
－
－
36
45
59
55
48
31
S-Sn90Pb1042
纯铜
黄铜
1Cr18Ni9Ti
88
89
－
45
44
32.3
S-Sn60Pb4046纯铜
黄铜
钢
93
78
96
34
34
35
S-Pb93Sn5Ag234纯铜
黄铜
54
87
36
39
S-Sn50Pb5037－－－
表4.7-5锡铅焊料在150℃时的性能
Sn含量/wt％抗拉强度/MPa延伸率/％
8
51035 101370 2013120 3013140 4013140 5013145 6012150
表4.7-6锡铅焊料的低温性能
锡含量/wt％试验温度
/℃
抗拉强度
/MPa
抗剪强度
/MPa
延伸率
/％
10-73413134
20-73483732
40-73484043
60-73595448
10-196594327
20-196855830
40-196877730
60-19613011010
表4.7-7锡铅焊料的蠕变应力-寿命
成分/wt％寿命为1000h时的起始蠕变应力/MPa Sn Pb其它20℃100℃
1090-35 1.1
4060-21 4.2
6040-29 4.5
6236Ag：2-27.0
4058Sb：249 5.9
593.5Ag：1.516-
197.5Ag：1.519.5-
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
9
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。

目前尚无统一的无铅焊料标准，ISO－9453国际标准、JIS－Z－3282标准、欧盟ROHS指令以及我国正在制订的无铅焊料标准都明确规定，只要产品中的铅含量小于0.1wt％，那么可以认为该产品就是无铅的。

1.Sn-Cu系
图4.7-3为Sn-Cu合金相图，共晶点成份Cu质量份数为0.7％，共晶温度为227℃，室温下生成（Sn）和Cu6Sn5共晶组织，见图4.7-4，其性能见表4.7-8。

Cu6Sn5金属间化合物的热稳定性相对较差，极易发生粗化，因而Sn-Cu焊料的强度和塑性都相对较低。

Sn-0.7Cu焊料的力学性能比Sn-37Pb焊料差，润湿性也远低于Sn-37Pb焊料，故早期没有用做焊料。

随着欧盟指令的出台和无铅化的深入推广，人们又重新审视Sn-0.7Cu合金作为焊料使用的可靠性，特别是作为波峰焊和浸焊用焊料。

并通过添加微量Ni、P、Ge、Sb、Bi和稀土等元素，来改善Sn-0.7Cu焊料合金的微观结构，进而提高其物理和力学性能。

添加微量的Ni可细化Sn-Cu合金内的Cu6Sn5金属间化合物，从而可显著提高焊料的塑性，并少量提高焊料的润湿性；加入Ag可改善焊料的润湿性和力学性能，并能有效地降低焊料合金的熔点；加入P、Ga、Ge、Sb等元素可提高焊料的抗氧化性能，减少残渣的产生，从而节约生产成本和提高焊接性；微量的Sb还可提高焊料的强度和高温耐疲劳性能。

添加稀土元素可以细化晶粒、抑制组织粗化和提高焊料的抗蠕变疲劳性能。

Sn-Cu系无铅焊料的化学成分和主要性能见表4.7-9。

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图4.7-3Sn-Cu二元合金相图
4.7-4Sn-0.7Cu焊料微观组织
焊接过程中，熔融的锡铜焊料与被焊Cu基体在界面处首先进行元素间的扩散，焊料中的Sn元素向Cu内扩散，而Cu由Cu基体向焊料中扩散，并在界面发生冶金反应，形成金属间化合物层，金属间化合物层的形成是保证焊料和被焊母材实现良好连接的重要前提。

界面不同区域的TEM衍射花样研究结果表明，界面由Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物层所构成，Cu6Sn5层邻近焊料一侧，Cu3Sn层介于Cu和Cu6Sn5层之间，见图4.7-5。

Cu3Sn会造成不润湿现象、脆化焊点界面，从而严重恶化焊点的可靠性，一般出现于焊接温度过高，或焊接时间过长的工艺上，通过优化焊接工艺可避免Cu3Sn的形成。

Cu6Sn5层的强度较高，是焊点具有良好力学性能和电性能的保证。

Cu6Sn5层过薄，容易形成冷焊点；Cu6Sn5层过厚，容易在热冲击下于界面附近形成微裂纹（见图4.7-6）和脆化界面，从而弱化焊点的可靠性，适宜的Cu6Sn5层厚度为1 m左右。

（a）界面不同区域TEM衍射花样
（b）界面金属间化合物层（c）Cu6Sn5微观形貌
图4.7-5Sn-Cu/Cu焊点界面微观形貌
图4.7-6金属间化合物层过厚所导致的微裂纹
被焊母材表面有Ni镀层时，界面形成Ni3Sn4金属间化合物层，见图4.7-7。

图4.7-7Sn-Cu/Ni/Cu焊点界面微观形貌
表4.7-8Sn-0.7焊料的性能
焊料合金拉伸强度/MPa延伸率/%熔点/℃润湿时间/S Sn-0.7Cu38.423.6227 2.3
表4.7-9Sn-Cu系无铅焊料的化学成分和熔点
化学成份/（质量分数，％）熔化温度/℃
Cu Ag In其它Sn固相线液相线0.2－－Zn:2;Te:0.8余量226228 0.3－－－余量227230 0.5－6Ga:0.5余量210215 0.6－－Ni:0.2余量227231 0.7－－－余量227227
0.7－－Ni:0.05-0.1;
P:0.005-0.05
Ce:0.01-0.1
余量227228
1－－－余量227240 3－－－余量227275
30.1－Bi:1余量215238
30.6－Sb:1余量221231 4.50.5－－余量226360
焊接过程中采用氮气等惰性气体保护，可显著提高Sn-0.7Cu焊料的润湿性和流动性，润湿时间由2.3s下降到0.17～0.23s，此时焊点的光亮度和润湿性接近Sn-37Pb 焊料的效果。

Sn-0.7Cu焊料用作波峰焊焊料时具有下述两个显著优点：一是价格便宜，与Sn-37Pb焊料相比，金属成本仅增加约23％；二是由于Sn中熔入了少量的Cu，可大大抑制焊料在工作时对PCB焊盘上Cu层和Cu引脚的浸蚀，传统的Sn-Pb焊料中，
长期的Cu浸蚀会导致焊料熔点升高、润湿性下降、力学性能恶化，Sn-0.7Cu焊料中由于已经存在少量的Cu，可以抑制Cu在熔融锡液中的浸蚀速度，因此可以显著提高Sn-0.7Cu焊料的稳定性。

Sn-Cu系焊料的优点是成本较低，略高于传统的Sn-Pb焊料；但其缺点是熔点偏高，润湿性较差，其在260℃下在纯铜板上的扩展率约为73%。

Sn-Cu系无铅焊料的代表产品是Sn-0.7Cu，该产品成本低，物理、力学性能能满足波峰焊、浸焊和手工烙铁焊工艺，是目前使用量最大的无铅焊料品种之一。

2.Sn-Ag系
Sn-Ag合金，共晶点成份Ag质量份数为3.5％，共晶温度为221℃，室温下生成（Sn）和Ag3Sn共晶组织，，图4.7-8为Sn-Ag二元合金相图。

Sn-Ag合金是人们早已熟悉的高温焊料，它比Sn-Cu焊接性能好，早期用在厚膜技术中，曾在20世纪80年代初用在双面再流焊的第一面再流工艺上。

但由于焊接温度较高，早期未能获得广泛应用。

近几年，随着欧盟指令的出台和无铅焊料的深入推广，促使人们又重新认识和研究Sn-Ag合金，并通过添加微量合金元素，以进一步提高它的综合性能。

图4.7-8Sn-Ag二元合金相图
Sn-Ag系焊料组织微细，具有优良的机械性能和较高的可靠性，该系焊料以Sn-3.5Ag共晶合金为主，有着多年的实际使用经验，风险较小，其作为Sn-Pb焊料的替代合金已被业界所接受，表4.7-10为Sn-3.5Ag焊料的物理、力学性能。

Sn-Ag系无铅焊料的化学成分和熔点见表4.7-11。

表4.7-10Sn-3.5Ag焊料的物理、力学性能
焊料合金Sn-3.5Ag
密度/(g/cm3)7.42
硬度/HV16.5
拉伸强度/MPa54.6
剪切强度/MPa37.8
延伸率/%22.5
热膨胀系数/(10-6/K)30.2
电阻率/(μΩ﹒cm)12.7
杨氏模量/GPa55
润湿时间/s 1.9
熔点/℃221
图4.7-9为锡银共晶焊料微观组织的照片，图中的灰色组织为（Sn），（Sn）周围弥散分布着Ag3Sn金属间化合物，起到沉淀强化的作用。

Ag3Sn呈纤维状，图中的粒子仅仅是其截面的形貌。

Ag3Sn能均匀分散在母相Sn中，并与Sn母相呈特定的方位关系，构成环状结构，两者在界面处有良好的结晶匹配性。

Ag3Sn的热稳定性非常好，一旦形成，在热作用下不易发生粗化，因而Sn-Ag系焊料具有优良的耐热性能。

表4.7-11Sn-Ag系无铅焊料的化学成分和熔点
化学成份/（质量分数，％）熔化温度/℃
Ag Sb Bi In其它Sn固相线液相线11－－－余量222232 11－－Zn:1余量221225 2－－－－余量221225 3－－－－余量221230 3.3－－ 4.7－余量210215 3.4－ 4.8－－余量211216 3.4－－ 2.91－余量214216 3.47－－0.99－余量219223 3.5－－－－余量221221 3.5－－ 1.5－余量214220 3.5－3－－余量206213
4－－－－余量221228 47－－－余量－230 47－－Zn:1余量－－
图4.7-9Sn-3.5Ag焊料微观组织
Ag含量增大，焊料内的Ag3Sn生成量增加，焊料的强度逐步上升；Ag含量增至3.5%共晶成分时，焊料的强度最大；超过3.5%Ag时，合金内形成过共晶组织，生成粗大的Ag3Sn相，导致焊料的力学性能明显恶化，焊点龟裂倾向增大，可靠性降低。

Sn-Ag系焊料钎焊后在界面处会形成较厚的Cu6Sn5层，固相反应时还会形成较厚的Cu3Sn层。

Sn-Ag合金中添加Zn，可提高焊料的强度和抗蠕变性能，但Zn易氧化，容易导致焊料表面形成坚固的氧化膜，降低焊料的润湿性。

加入Bi可降低焊料的熔点，改善润湿性和铺展能力，但提高幅度较小。

但Bi加入后，焊料的强度增加，塑性大幅降低，机械加工性能较差。

添加In有助于降低焊料的熔点，而不影响焊料的力学性能，In含量为3%时焊料的蠕变特性最佳。

虽然在无铅焊料替代合金的选择中，添加In元素是十分有效的，但In是贵金属，资源也有限，添加In后的焊料不仅成本非常高，而且面临原材料的供应问题。

加入Cu有助于降低焊料熔点，改善润湿性，提高焊点的可靠性，并能有效降低波峰焊焊接过程中焊料对元器件Cu引脚和PCB上Cu层的溶蚀程度，这一研究结果为无铅焊料整体性能的提高，走向实用化起到关键性的作用。

Sn-Ag系焊料虽然润湿性和力学性能较好，但贵金属Ag含量较高，因而相对成本较高，价格贵，目前主要用于再流焊工艺上。

3.Sn-Ag-Cu系
Sn-Ag-Cu系焊料是在Sn-Ag焊料的基础上加入Cu而成，由于具有熔点低、润湿性相对较高和综合力学性能优良等优点，被公认为是目前综合性能最佳、应用最广的无铅焊料合金。

图4.7-10为Sn-Ag-Cu三元合金富Sn侧的等温线投影图，共晶成份是Sn-3.8Ag-0.7Cu，共晶温度为217℃，共晶组织为（Sn）+Cu6Sn5+Ag3Sn，见图4.7-11，
图中白色基体为β-Sn，黑色粒子为Cu6Sn5和Ag3Sn金属间化合物。

由于研究者很多，出现了许多不同成份组合的配方，关注最多的是美国NEMI推荐的Sn-3.9Ag-0.6Cu，欧盟IDEALS推荐的Sn-3.8Ag-0.7Cu，英国ITRI推荐的Sn-（3.4-4.1）Ag-(0.45-0.9)Cu 和日本JEITA推荐的Sn-3.0Ag-0.5Cu。

上述几种焊料的性能差异不大，见表4.7-12。

Sn-3.0Ag-0.5Cu因具有更低的成本而倍受推崇。

表4.7-13为Sn-Ag-Cu系无铅焊料的化学成分和熔点。

图4.7-10Sn-Ag-Cu富Sn侧的等温线投影图
表4.7-12推荐的Sn-Ag-Cu焊料性能对比
合金拉伸强度
MPa
延伸率
%
扩展率
%
熔化温度
℃
Sn-3.9Ag-0.6Cu50.024.877.3217-221 Sn-3.8Ag-0.7Cu48.025.377.1217-221 Sn-3.0Ag-0.5Cu47.525.277.1217-221
图4.7-11Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料微观组织
表4.7-13Sn-Ag-Cu系无铅焊料的化学成分和熔点
化学成份/（质量分数，％）熔化温度/℃Ag Cu其它Sn固相线液相线
0.2 2.0Sb:0.8余量219230
0.30.7－余量217226
0.5 4.0－余量218226
2.00.8Sb:0.6余量210216
2.00.8Zn:6余量217217
2.50.5Bi:1.0余量213221
2.60.8Sb:0.5余量211226
3.00.5－余量217221
3.50.7RE:0.05余量217219
3.50.5Zn:1余量216217
3.6 1.5－余量217225
3.80.7－余量217221
3.90.6－余量217221
4.00.5－余量217221
4.10.5In:4.0余量205210
4.7 1.7－余量217217
Sn-Ag-Cu系焊料的熔点比Sn-Cu系和Sn-Ag系均低，润湿性好，强度和塑性高，具有优良的耐热疲劳特性，其在125℃放置的蠕变性能远高于Sn-Pb焊料，均衡时间
高达3849小时，这与Cu 6Sn 5和Ag 3Sn 金属间化合物均匀分散在母相Sn 中，合金组织均匀、致密有关。

该系合金由于多方面性能表现较为平衡而被业界所看好，多年来大量的研究数据也大力地推动了它被业界认同和接受。

目前应用最多的是Sn-3.0Ag-0.5Cu 合金，其疲劳寿命高于Sn-37Pb 的近3倍。

与Sn-Ag 相比，Sn-Ag-Cu 系焊料对元器件和PCB 基板上的Cu 溶蚀程度更小。

但在某些方面，Sn-Ag-Cu 焊料的可靠性却比Sn-37Pb 焊料低，如塑性应变较低，这对于一些大尺寸的蠕变故障等是不利的。

Ag 、Cu 元素的含量对焊料的润湿性影响不大，图4.7-12对不同成份Sn-Ag-Cu 焊料在250℃下的润湿性进行了对比。

40
4550556065
707580Sn-3.5Ag -0.7Cu
Sn-3.5Ag
-0.3Cu
Sn-3.5Ag Sn-2Ag
扩展率/%
T=250℃
4.7-12Sn-Ag-Cu 系焊料的润湿性
向Sn-Ag-Cu 系焊料内加入微量合金元素，可进一步提高焊料的综台性能。

如杭州亚通电子有限公司开发的Sn-Ag-Cu-Sb-P-RE 系焊料具有良好的润湿性和抗氧化性，北京有色金属研究总院研发的Sn-Ag-Cu-Cr 系焊料具有高温抗氧化和抗腐蚀性，北京工业大学、大连理工大学开发的Sn-Ag-Cu-RE 焊料以及报道性价比良好的Sn-Ag-Cu-Sb 等。

添加少量的Sb ，可以细化焊料合金的组织，降低熔点，提高焊料的强度和润湿性。

但Sb 含量不宜过大，否则焊料的脆性增大，影响机械加工性能和焊点的可靠性。

早期的研究人员为了显著降低Sn-Ag-Cu 系无铅焊料的熔点，向焊料内添加In 、Zn 等降熔点元素，虽然效果比较明显，但In 是贵金属，且资源有限，而Zn 的加入会弱化焊料的润湿性和抗氧化性能，正是由于这些缺点的存在，这两种元素目前很少应用在Sn-Ag-Cu 系焊料上。

添加Bi 元素，可降低焊料的熔化温度，提高焊料的润湿性和抗蠕变性能，但随着Bi 添加量的增加，固相线温度会大幅下降，而液相线温度的降幅很小。

目前部分
元件仍然采用含Pb的涂层，使用含Bi焊料后焊点界面附近的组织内易形成Sn/Pb/Bi 低熔点相（96℃），从而严重影响焊点的可靠性。

PCB上Cu焊盘的镀层对Sn-Ag-Cu焊点界面结构影响很大，图4.7-13和图4.7-14分别为采用NiAu和HASL涂层时焊点的界面微观形貌照片。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究结果表明，使用NiAu镀层时，上下界面形成的都是(Cu，Ni)Sn，热冲击数增加，(Cu，Ni)Sn长大，但整体形貌没有明显变化；使用HASL镀层时，界面处的IMC（金属间化合物）是由Cu6Sn5和Cu3Sn组成，热冲击数增加，界面IMC表现为明显的两层，两层IMC都明显增厚，并在界面处出现Kirkendall孔洞。

与HASL镀层相比，NiAu镀层IMC生长速率较慢，界面无Kirkendall孔洞生成，因而具有更高的可靠性。

(a)PCB/Solder界面（0次热循环）(b)Solder/Device界面（0次热循环）
(c)PCB/Solder界面（1500次热循环）(d)Solder/Device界面（1500次热循环）
图4.7-13焊点界面在不同周期热冲击下的IMC形貌演变（镀层为NiAu）
(a)PCB/Solder界面（0次热循环）(b)Solder/Device界面（0次热循环）
(c)PCB/Solder界面（1500次热循环）(d)Solder/Device界面（1500次热循环）
图4.7-14焊点界面在不同周期热冲击下的IMC形貌演变（镀层为HASL）
Sn-Ag-Cu系焊料的熔化温度是217-221℃，必须在达到240℃时才能完全变为液态，所以焊接温度要达到245℃左右。

Sn-Ag-Cu焊料的润湿性比Sn-Pb焊料差，这是整个无铅焊料都面临的问题。

Sn-Ag-Cu系焊料的机械加工性能较好，可以做成膏状、线状、球状或预制成形等多种形式，广泛应用于回流焊、波峰焊、手工焊和浸焊等多种焊接工艺。

4.Sn-Bi系
Sn-Bi系焊料具有从139℃共晶点到232℃极宽范围内的熔点特性，共晶点Bi的质量份数为57％，应用于低温钎焊工艺上，图4.7-15为Sn-Bi二元合金相图。

Sn-Bi 二元焊料合金微观组织由(Sn)和(Bi)所构成，其形貌见图4.7-16，图中的黑色组织是(Sn)，白色组织是(Bi)，两种组织层状交替，这种组织结构特征导致Sn-Bi焊料的强度很高而塑性较差。

图4.7-15Sn-Bi二元合金相图
图4.7-16Sn-57Bi焊料微观组织
Sn-Bi共晶焊料的优点是热疲劳性能优良，并能够在170-180℃下进行焊接，对元器件的适应性强。

在日本，Sn-57Bi共晶焊料以低熔点的优势，已在主板组装厂进行了量产使用。

Bi含量小于21%时，共晶组织不易出现，但如发生Bi的偏析，即使在较低的Bi浓度下也易生成共晶组织。

表4.7-14列出了Sn-Bi系无铅焊料的化学成分和熔点。

Bi可显著降低锡合金固相线温度，但对液相线温度作用较小，因此会造成较大的凝固温度范围，易导致焊脚提升，缺陷率增大。

Bi具有非常好的润湿性质和物理性能。

一些业界人士认为Bi的供货能力可能会因铅产量受到限制而下降，因为Bi主要从铅的副产品中提炼，如果限制使用铅，则铋的产量将会大大减少，尽管我们也能直接开采获取铋，但成本会较高。

其实这些担心是不必要的，因为铅主要应用于蓄电池、军工和辐射防护材料等领域，电子产品用铅量占总消耗量的比例还不到1.5％，见图4.7-17，因而电子行业限制铅的使用量不会影响铅的总消耗量，也就不会对铋的产量产生过大的冲击。

Bi的主要问题是Sn-Bi合金遇到Pb以后会形成Sn-Bi-Pb低熔点相
（熔点只有96℃），容易导致焊点剥离，降低焊点强度和可靠性。

由于短期之内电子产品不会立刻全部无铅化，Pb 仍会用在某些元件的端子或印刷电路板焊盘上，如何避免生成低熔点相是生产和使用Sn-Bi 焊料企业应重点考虑之处。

表4.7-14Sn-Bi 系无铅焊料的化学成分和熔点化学成份/（质量分数，％）
熔化温度/℃
Bi Ag Cu Zn 其它Sn 固相线
液相线
58－－－－余量139
4.8 3.4－－－余量－－7.520.5－－余量20721210－0.8－－余量18521710－0.81－余量－－10－－－Sb:5余量19323210－－1Sb:5余量－－19.5 2.5－－－余量13819640－－－－余量13917042－－－－余量139
168561－－－余量13756－－4－余量13057
－
－
1.3
－
余量
127
1.5%1%
10%68%
4.5%
15%
4.5%
15%68%
蓄电池 军工
辐射防护 电子电器 印刷业、电缆 其它
图4.7-17铅在各个领域的使用量
Sn-Bi 系焊料的问题是Bi 易粗化结晶，粗化结晶的性质与金属间化合物相同，在
形成粗化结晶的场合其塑性很差，焊点剥离表面呈明显的脆性破坏特征。

因此常采用快速冷却和/或加入第三元组元的方法使Bi 微细分散，改善Bi 原来的脆性，进而改善合金的综合力学性能。

目前日本有关厂商在焊料中添加1%的Ag 组成共晶，以提高其延伸性，延伸率可达40%，见图4.7-18所示。