3.2 有Pb焊接用的SnPb基焊料

3.2.1 焊料常用的几种基本金属元素特性

1.元素Sn

（1）物理特性

Sn为银白色有光泽的金属，密度为7.3，熔点低，只有232℃。Sn的化学性质很稳定，在常温下不易被氧气氧化，所以它经常保持银闪闪的光泽。Sn 在常温下富有展性。特别是在100℃时，它的展性非常好，可以展成极薄的Sn箔。晶粒结构比较粗，当弯曲Sn棒时，由于其晶粒界面相互摩擦的结果，可发出称为Sn鸣的奇特声音。Sn是一种质软的低熔点金属，相变点为13.2℃，低于这个温度时变成粉末状的灰色Sn（αSn），灰色Sn具有金刚石型晶格的金相结构。当温度高于13.2℃时变成白色Sn（βSn），呈体心立方晶格，富有延展性，如图3.7所示。

αSn的原子能够加速未转变材料中αSn的形成过程。添加某些金属元素可显著降低发生这种Sn瘟的危险性，例如，美国国家标准QQ-S-571要求焊料中添加0.25%的锑，以防止αSn的形成。Sn不仅怕冷，而且怕热。在161℃以上时，白Sn又转变成具有斜方晶系的晶体结构的斜方Sn。斜方Sn很脆，一敲就碎，展性很差，叫做“脆Sn”。白Sn、灰Sn、脆Sn，是Sn的三种同素异性体。

（2）化学性质

Sn的化学性质如下：

● 在大气中耐腐蚀好，不失金属光泽，但不能抗氯、碘、苛性钠、苛性钾等物质的腐蚀；

● 虽不耐强酸、强碱的腐蚀，但对于中性物质来说，有较好的抗腐蚀性；

● 不受水、氧气、二氧化碳等气体物质的腐蚀，能抗有机酸的腐蚀。

2.元素Pb

（1）物理性质

● Pb是一种蓝灰色金属，具有面心立方晶格，密度大（11.3）；

● 膨胀系数大；

● 电导率低；

● 熔点低（327℃）；

● 质软；

● 容易铸造；

● 易塑性加工；

● 有润滑性；

（2）化学性能

● 化学性质稳定，抗腐蚀好，不与以下物质起反应：空气、氧、海水、含氯成分的水、苯酚、碳酸钠、食盐、丙酮、氟酸；

● 基本不被乙炔、无水醋酸、硫酸与硝酸的混合液腐蚀；

● 稍受醋酸、柠檬酸、盐酸腐蚀；

● 受硝酸、氯化镁严重腐蚀；

● Pb是一种对人体有害的有毒金属，接触时要特别注意。

（3）其他特点

Pb新暴露表面具有光亮的金属光泽。通常在空气中该表面很快变质、氧化而呈暗灰色。该氧化膜附着力非常强，可以保护其底层金属免受环境的进一步侵蚀，它使Pb具有耐受多种化学和环境腐蚀的独特性能。Pb是一种质软金属，具有面心立方晶格，很容易加工成形。

纯Sn及纯Pb的物理特性，如表3.1所示。

3.2.2 SnPb合金

1.选用SnPb合金的优点

截至目前，在有Pb焊接中所用焊料几乎都是SnPb二元合金。在电子产品Pb装联工艺中，广泛采用SnPb二元合金作焊料的主要原因是：

● 熔化温度范围小（即糊状区窄），非常适合于工程应用需要；

● 润湿性和机械、物理性能尚可。

2.工程用SnPb合金相图

相图是我们分析平衡状态下各种不同成分合金系，在不同温度下的各种不同相之间的相互关系，并理解合金系的理论基础。图3.8所示为工程用SnPb合金相图。它既反映了SnPb二元合金相变随温度和成分之间的变化关系，也提供了应用中关键数据的细节。在图上标示的推荐温度带，对于通常的电气焊接采用的焊料成分来说，该温度处于根据经验提出的推荐的温度范围之内。含Sn量较高、熔点温度也较高的焊料不仅用于电气焊点的焊接，也用于机械结构的焊接。

3.2.3 工程用SnPb焊料应用分析

1.熔点温度

在选用焊料的诸多考虑因素中，焊料熔点温度是首先要考虑的。由于在等于或稍高于熔点的温度下，焊料仍呈黏滞状态，极不易流动，在一定程度上限制了其润湿特性。因此，比较理想的润湿温度应大约高于焊料熔点温度（15.5～71）℃为宜。该温度范围适用于大多数焊料合金。对于Sn37Pb共晶合金在焊接中的温度应选择高于熔点温度37℃为宜。

以波峰焊接为例，图3.7中示出了SnPb系焊料的推荐润湿温度带。对于焊接中通常所采用的焊料成分来说，该温度带处于根据经验给出的推荐温度范围之内。然而应该明确，推荐的焊接温度并不等于波峰焊接时焊料槽的温度。在波峰焊接过程中，焊点达到的温度是处于焊料槽温度和被焊工件温度之间的某一中间温度。为了确保焊料的适当流动性，并考虑传到被润湿表面的所有热损耗，故波峰焊料槽必须采用较高的温度。

波峰焊料槽采用较高温度的目的是为了保证焊料良好的流动性，并考虑到被润湿表面的所有热损耗，这也是缩短焊接时间和增强助焊剂活性所要求的。在波峰焊接时，焊点的加热过程中主要影响因素是被焊工件的焊前温度，被焊零件的热容量和热导（即被焊零件和焊点的散热效果），进一步加热助焊剂和激活助焊剂活性所要求的温度，焊料槽本身的热散失（传导热和辐射热）。这些对温度的要求必须和焊料波峰所能提供的热量相平衡。这一点在实际应用中非常重要，例如，当波峰焊接用焊料为Sn37Pb的共晶成分时，该焊料的液相线和固相线完全重合，均为在183℃。为了确保焊料的良好润湿，就必须将温度从液相线的基础上再提升37℃左右，达到220℃的最低润湿温度。焊料槽的温度须再一步提高到250℃左右的高温。才能补偿其他的耗热和热量的流失，确保波峰焊接过程中的热量平衡。

2.冷却过程中的温度-时间关系

分析相图中位于糊状区域的焊料，假如把加热过程拉长，即经历较长时间后达到焊接温度，这不会产生什么问题。然而，冷却过程情况就不同，糊状区焊料形成的第一个固相晶体通常是沉积于被焊基体金属表面。因为沿该表面产生的散热量最大，此时如果被焊表面发生了相对位移，则留下的液态焊料将不再以连续的形式凝固，并将使糊状区焊料离析出的晶粒参差不齐地排列。

在完全凝固时，余下的共晶成分的液态焊料不能桥连所有已形成的晶粒间界面，结果形成表面呈结霜状的焊点。在极端情况下，这样的焊料接头可能存在扩展的裂纹和焊料间断点，进而可能导致焊点断裂，形成受扰动焊点。因此，糊状区的存在，导致了凝固过程的延长，这对形成匀质焊点是极为不利的。

3.SnPb合金系中Pb的作用

SnPb合金焊料（以下简称焊料）中的Sn，在焊接过程中，因冶金反应与基体金属形成合金。而Pb在任何情况下几乎不起反应。然而在Sn中加入Pb将其作为焊料的一种成分，就可以使焊料获得Sn和Pb都不具备的下述优良特性。

① 降低熔点，便于操作：Sn的熔点是232℃，而Pb的熔点为327℃，如将Sn、Pb两种金属混合，就可获得比两种金属熔点都低的焊料（熔化温度183℃）。因其熔点低，所以操作时就比较方便。

② 改善机械特性：Sn的抗拉强度为1.5kg/mm ² ，剪切强度约为2kg/mm ² 。Pb的抗拉强度约为1.4kg/mm ² ，剪切强度约为1.4kg/mm ² 。如果将两者混合起来制成焊料后，抗拉强度可达（4～5）kg/mm ² ，剪切强度为（3～3.5）kg/mm ² 。焊接后，这个值会变得更大。这样一来，机械特性得到了很大的改善。

③ 降低界面张力：液态焊料的扩散性，即润湿性，会因表面张力及黏性的下降而得到改善，从而增大了流动性。

④ 抗氧化性：将Pb掺入Sn中，就可增加焊料的抗氧化能力，减少氧化量。

4.SnPb系焊料的特性和应用

（1）焊料的物理特性

焊料中由于Sn和Pb的不同组分，其物理特性也是不同的，如表3.2所示。由于Sn和Pb的密度不同，故焊料的熔化温度、密度、电导率、机械特性等都有所不同。如含Sn37Pb组分的焊料，其抗拉强度和抗剪强度均很高，机械特性很好。从电气特性来看，随着Sn的成分的增加，其导电性能也就越好。

表3.3列出了SnPb焊料的线膨胀系数和热导率，这些数据表明，随着焊料成分由纯Sn向纯Pb变化，热导率变化呈简单函数关系。如果需要某中间点的数据，可用外插法求得。了解这些数据，对焊接陶瓷玻璃基板和硅片很重要。

SnPb系焊料的硬度，随Sn、Pb的比例、温度、生产方式和生产时的冷却方式的不同而异。和抗拉强度一样，硬度随温度升高而急剧降低。

SnPb焊料的表面张力、黏性与合金成分有直接关系，如表3.4 所示。它们在表3.3所列成分范围内都不存在任何最大值。

（2）非室温下的物理性能

从冶金学的观点看，任何金属的性能均取决于其使用温度和其熔点之间的温差。一般来说，当该温差相同时，具有相同晶格结构的合金具有相类似的物理性能。下面我们来分析这些性能在非室温下如何变化。

① 低温下应用

随着温度降低，焊料的屈服点强度和抗拉强度增高，而拉伸延伸率和截面缩减率急剧降低，在较低温度下电导稍有提高。

前面已讨论到，βSn（体心立方晶格）和αSn（金刚石型晶格）的相变点温度为13.2℃。这种在固体状态下，由于原子排列发生变化而产生相变（同素异构转变），将导致焊料变脆。我们已知βSn的密度为7.30g/cm ³ ，αSn的密度为 5.77g/cm ³ 。因此，在发生αSn相变时，体积就会增加 26%，强度就所存无几甚至完全消失。因此当设备的工作环境存在着低温下使用的情况时，就应当特别慎重地考虑此因素。在这种情况下，如果在SnPb合金中掺入略高于0.1%的锑就可以有效地阻止这种相变，以防不测事件的发生造成不必要的损失。

② 高温下的应用

在高温应用中，焊料合金的温度接近其熔点温度，因此焊料的强度降低，但其延展性能和延伸率增高。Howard H·Mwnko为电子工业归纳出计算特定的焊料合金最高使用温度的经验公式为：

式中，T _max 为合金的最高推荐使用温度；

T _room 为室温，通常取20℃；

T _sol 为共晶成分的熔点温度。

例如：共晶成分（Sn37Pb）的SnPb焊料的T _sol 为183℃，则可算得其T _max 为：

很显然，SnPb焊料不能用作高温或室温下的结构性焊接材料。

3.2.4 SnPb焊料的蠕变性能

1.蠕变

蠕变是固体材料在保持蠕变系数为0.5不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象，如图3.9所示。

它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。

2.蠕变的危害

锡铅合金的熔点低，共晶组分熔点为183℃（456k）。因而在室温下的行为与其他金属在高温下的行为类似，也就是说，锡铅合金在室温下就会具有明显的蠕变现象。在设计锡铅合金的结构时必须以其蠕变强度作为考虑的基础，而机械强度及屈服强度已无实际的意义。

3.2.5 SnPb焊料合金中的杂质及其影响

1.按纯度划分SnPb合金焊料的品位

（1）回收并精炼的焊料

在工业上往往对一些废焊料（焊料渣、滴落的焊料、料头、废弃的污染料等），进行回收利用或者精炼后重新出售。由于精炼的费用高（远远超过焊料的售价），故对像仅含铜、锌和铁这类杂质的低品位废焊料，一般是采取向回收废焊料中添加新的原生金属，以使其杂质含量降低到焊料污染允许水平之下。美国政府标准QQ-S-571和ASTM B-32反映了回收利用材料中的允许污染水平。在重要的应用中不鼓励采用回收利用的焊料，因为在自动化大生产中，焊料中不可预见的杂质将使焊料性能增加了不可预料的变化因素，有可能产生严重的问题。

（2）原生焊料

原生焊料是指利用从矿石中提炼的Sn和Pb配制成的焊料。原生级焊料是电子工业生产中非常标准的材料，特别是在大量生产的自动化焊接（如印制电路板波峰焊接）的情况下，该品级焊料杂质含量的一致性相对来说是可以预料的，因而足以防止由于采用回收利用的焊料而产生的潜在危害。

2.金属杂质对SnPb焊料物理性质的影响

焊料中有微量的其他金属以杂质的形式混入。有些杂质是无害的，而有些杂质则不然，即使混入微量，也会对焊接操作和焊点的性能造成各种不良影响。概括起来说，焊料中混入杂质元素的影响取决于所混入的元素金属在Sn或Pb相中的固溶度，如果形成金属间化合物，则该影响还取决于金属间化合物的形成。固溶体的形成使电阻率增高（如添加铋和锰），而金属间化合物的形成则使焊料的电阻率降低（如添加铜）。在波峰焊接中遇到的主要杂质金属对焊接性能的影响，如表3.5所示。

3.主要的杂质金属

有Pb波峰焊接用焊料的主要成分是Sn和Pb，除此之外，含有的微量元素即为杂质。表3.6中给出了IPC/J-STD-001D标准中规定用于电子组装（如波峰焊接）焊料的杂质容限。

4.杂质对润湿的影响

表3.5中所列的锌、铝等杂质均属有害杂质，即使含量为 0.001%都会使焊点外观变差，明显地影响润湿性和流动性，给波峰焊接工作增加困难。直接影响焊接的杂质金属有铜、金、锌和铝等，这些杂质可使基体金属在浸入焊料波峰时发生熔蚀，而导致“桥连”、“拉尖”等焊接不良现象。

掺入SnPb焊料中的微量金属杂质将改变所形成合金的表面能，因而影响其润湿特性，如图3.10所示。在波峰焊接中，杂质对润湿性的影响对确保波峰焊接效果有着特殊的意义。

此外，焊料中含有SnPb氧化物残渣、气体和非金属夹杂物等，对焊料的性能也有很大的影响，这一点往往被人们忽视。用真空熔炼的Sn和Pb制成的真空熔炼的焊料，表现出最佳的扩散性。

3.2.6 Sn基有Pb焊料的工程应用

1.Sn37Pb共晶焊料

从图3.8 工程用SnPb合金相图可知，Sn37Pb共晶焊料表现为单独的均匀相，具有不同熔点的两相（Sn和Pb）组成的混合物。该组分冷却时由液相到固相或升温时由固相到液相，均是在同一温度（183℃）下进行的，不经过糊状区。因此，冷却后所形成的细晶粒混合结构，如图3.11所示。正是在电子设备生产焊接所必需的。正因为如此，该组分为目前整个电子制造行业最为广泛釆用的最著名的品牌焊料，应用极广。

2.Sn36Pb2Ag焊料

在SnPb焊料掺入少量的Ag，可以使焊料的熔点降低（如焊料Sn36Pb2Ag的熔点为179℃），增加扩散性，提高焊接强度，焊点光亮美观。此类焊料适用于焊接晶体振子、陶瓷件、热敏电阻、厚膜组件、集成电路、及镀Ag件等。

为抑制焊料在母材上与Ag相互扩散，需要预先在焊料中加入Ag。这样，就可以抑制附着在陶瓷和云母上的Ag的扩散，以防止Ag层的剥离，这就是此种焊料的最主要的应用特征。

3.无氧焊料

（1）无氧焊料

以SnPb焊料为例，使用真空熔炼的Sn和Pb制成的原料，再用真空熔炼制成的焊料，称无氧焊料。一般焊料成分中含有Sn、Pb氧化物残渣，同其他非金属物质一样，以前一直被忽视。现在一些基础研究证明：焊料中所含的杂质、气体及非金属夹杂物等对焊料的性能的影响是很大的。现在，已能除去这些非金属物质，处理后的材料在国际市场上可以买到，其商品名为“巴库洛”或“无氧化焊料”。

（2）一般焊料和无氧焊料在特性上的差异

① 外观上的差异：空气熔炼的焊料与无氧焊料在外观上有明确的差异。前者表面不仅会出现很多的残渣，而且颜色也有变化，还会出现小气孔和由于气体逸出而形成的气孔“麻点”。而无氧焊料表面光滑，基本上无气孔。

② 微结构上的差异：以Sn50Pb焊料为例，一般的焊料，冷却时以许多非金属杂质为核心生成很多小晶粒，如图3.12所示。而无氧焊料晶粒很少，α相呈树枝状结构而形成纯金属的大晶粒，如图3.13所示。

③ 真空熔炼的焊料有明显的脱气现象，而在氮气中熔化的焊料则几乎没有这种现象。

④ 扩散性能：若将普通焊料作为100，再把真空熔炼的无氧焊料的扩散面积与其对比，如表3.7所示。使用真空熔炼的Sn、Pb和焊料，表现出最佳的扩散性。随着电子装备和元器件的小型化和微型化必将需要这类焊料。