无铅焊料的组织成分

无铅焊料的组织成分

3.1 无铅焊料的组织分类

按已采用的几种候补合金，无铅焊料（包含波峰焊用、回流焊用、基板修正用等）可分为以下四个类型。

( 1 ) Sn-Ag 系

( 2 ) Sn -Bi 系

( 3 ) Sn-Zn 系

( 4 ) Sn -Cu 系

实际上，二元系合金要成为能满足各种特性的基本焊料是不完善的，例Sn-Ag 合金添加百分之一以下或百分之几的Bi 和Cu ，组成多元化形式的无铅焊料。但是，大体上焊料合金组织不会受添加元素的影响，反映出基本的二元系组织。

下面对代表性的无铅焊料组织特征进行归纳，但是对数据不足的Sn-Cu 系合金，其Cu 量由0.7wt%组成共晶，组织形式为Sn/Cu6Sm 共晶，微量的Cu 不能明显地观察其组织成分，本节暂时省略。

3.2 Sn-Ag 系合金的组织成分

Sn-Ag 系焊料，作为高熔点焊料已经开始以无铅焊料角色进入实用阶段，特别是其固有的微细组织、优良的机械特性和使用的可靠性，成为明显的替代合金焊料为用户接受。

图3.1 是Sn-Ag 二元合金的状态图和合金组织的SEM 照片，照片上白色的微粒子为Ag3Sn ，该合金Ag 量在3.5wt%时形成共晶点。在这个Ag 量组成以下的成为亚共晶，组成以上的成为过共晶，在照片上已充分地说明了其组织特征。这个合金组织表示了1Lm 以下的细密Ag3Sn 在Sn矩阵型基体中呈分散状的分散强化合金，由图3.1 的照片可以看到Ag3Sn 的粒子。照片只是一个截面组织，实际上具有相当长的纤维状。

图3.2 是Ag3sn 示分散状态下的TEM 照片，As3sn 具有Sn母相及其特定的方位关系，两者界面有良好的结晶匹配性，Ag3Sn 在数Dam 大小的环上分散，环内部大体上保持无结晶的形态，晶粒直径同其他焊料相同为数拾1Lm 大小，各个环状并不表示晶界，但是环状的形成会阻碍Ag3Sn 的变位，可以说形成了一种亚晶界。

Sn-Ag 系合金具有优良的机械特性，Ag-Sn 的微细分散状和亚晶界的形成，从组成的Sn-AR二元系合金状态图上。可想象出能得到均匀的Ag3Sn 结晶（共晶）。现实中对这种环状分散状态的组织不能预测，这时有必要对其形成的机理进行研究，一个是要考虑Ag/Sn 矩阵间晶格变形的缓和结构，另一个是由于不纯物的存在所生存核的不均匀性影响。作为纯度高的金属基材，最好要认可Ag3sn 分散形态的变化关系，Sn 中的Ag大致上不固溶，Ag3sn 作为稳定性好的化合物，Ag 对Sn中的固溶是不存在的，一旦Ag3Sn已形成，高温放置时也不易粗化，是一种耐热性好的焊料。

合金中随着Ag 量的增加，表示Ag 组成共晶时，也就是Ag 量在3.5%时的环的尺寸呈细微的分散状态，合金强度逐步上升至最高，其组织与细微化相对应。但是Ag 达到4%形成过共晶状，就会出现明显的劣化，产生数拾，Am 大小的粗化Ag3Sn 板状初晶（结晶）见图3.3不管哪一种合金，如生成数拾Lm 的金属化合物，将会起尺寸面的龟裂，对有可靠性要求的合金来说是必须避免的。这也说明，焊料合金的组成，应该避免粗化脆性初晶的生成。

在Sn-Ag 合金添加Bi 、cu 、zn 等合金元素的场合，仍可维持基本的Ag3Sn 细微分散组织。（见图3.4 ) ，例Sn-2Ag-7.5Bi-0.5Cu 组织，可看到较大的Bi 结晶，对Ag3Sn 的形成无变化，但如添加第三元素时，其组织亦会细微化。

分析界面组织，一般Sn 系焊料／Cu 界面，从Cu侧会形成层状Cu3 Sn/Cu6Sn5 , Sn-Ag 系焊料／Cu 也不例外，形成相同的反应层结构（见图3.5 的a ) , Cu3Sn 比较簿，且Cu 和Cu3Sn 的界面较为平坦。而Cu6Sn5较厚，在焊料一侧会形成许多突起。图3.5 的照片是在试验室条件下制成的，在进入实际回流焊时所得到的结果应该是相同的。焊料接合的拉伸试验，从图3.5 的b看到其龟裂发生在半岛状突出的Cu6Sn5根部，龟裂展示在顶端附近，因此，在高强度化应力集中的界面不希望产生凹凸不平现象，最好是形成平坦的界面。

基板组装时，由于热疲劳等因素所产生的龟裂，其应力集中的场所，对焊料弯月面、引线、基板焊区、元件材质与形状等的差异是不同的，大多数界面发生龟裂的原点是不限定的，其中在界面形成的反应层（特别是Cu6Sn5）是主要因素。Sn-Ag 系焊料焊接后在界面会形成厚的Cu6Sn5向固相状态反应时也会生成厚的CuSn。

Sn-Ag系合金添加Cu时，共晶点的改变Ag量约为4.7 % , Cu 量约在1.7%时产生共晶，例Sn-3.5 % Ag-0.7 % Cu 共晶，还存在未理解之处。这种合金如添加Zn，将会造成在提高合金细微化强度和蠕变特性的同时，焊料表面易形成坚固的氧化膜，使润湿性大大降低。

Sn-Zn 的合金化将会发生急剧的界面反应相，可合理地利用反应控制来加以改变，这将在后面进行解说。