第十三章 主要的无铅合金

1、综述：在一系列无铅焊料中，人们对下面的一组有着特殊的兴趣，是工业界首先要选择的，它们是：共熔Sn-Ag、共熔Sn-Cu、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Bi-In、Sn-Ag-Cu-In、Sn-Ag-Cu-Sb、Sn-Zn以及Sn-Zn-Bi，在电子行业中它们的特性和潜在应用前景将在下面进行讨论；

2、共熔锡-银合金（Sn-Ag）：
a.物理特性：共熔的Sn-Ag、96.5Sn-3.5Ag已经应用了好多年，其熔点比共熔Sn-Pb合金高38℃，同时具有更低的密度和更低的电阻；
b.力学性能：总体上最终Sn-Ag共熔合金的强度与共熔Sn-Pb相接近，其杨氏模量更高，延长性更低；根据Hwang等人的报道，在室温下蠕变阻抗按降序排列如下：62Sn-36Pb-2Ag>96.5Sn-3.5Ag>63Sn-37Pb>58Bi-42Sn>60Sn-60Pb>70Sn-30In>60In-40Sn；
c.浸润特性：Glazer报道说，测试温度在260-280℃之间时，大多数情况下浸润能力按以下次序递减：60Sn-40Pb>100Sn>95.5Sn-4Ag-0.5Cu>95Sn-5Sb>96.5Sn-3.5Ag；
d.可靠性：疲劳试验结果表明，合金的疲劳阻抗按升序排列如下：63Sn-37Pb<64Sn-36In<58Bi-42Sn<50Sn-50In<99.25Sn-0.75Cu<100Sn<96Sn-4Ag；

3、共熔锡-铜合金（Sn-Cu）：
a.物理特性：在几种主要的无铅焊料中，共熔Sn-Cu的熔化温度是最高的，它的表面张力、电阻抗和密度都可以和共熔Sn-Ag相比拟；
b.机械特性：在25℃和100℃下，发生破裂的时间按下列次序增加：共熔Sn-Ag<Sn-Ag-Cu<共熔Sn-Cu<60Sn-40Pb；
c.浸润特性：在不使用激活流体情况下，浸润能力按下列次序递减：共熔Sn-Pb>Sn-Ag-Cu>Sn-Ag>Sn-Cu；Toyoda也研究了几种合金的传播性能，，传播性能按降序排列为：63Sn-37Pb>Sn-Ag-Cu-4.5Bi>Sn-Ag-Cu-7.5Bi>Sn-3.5Ag-0.75Cu>99.25Sn-0.75Cu>89sn-8Zn-3Bi；
d.可靠性：虽然共熔Sn-Cu的张力强度非常差，但其疲劳阻抗则要好得多，根据Glazer的研究，疲劳阻抗按下列次序递增：63Sn-37Pb<64Sn-36In<58Bi-42Sn<50Sn-50In<99.25Sn-0.75Cu<100Sn<96Sn-4Cu；Frear等人报道了对于倒装焊，热疲劳寿命按下列次序递减：共熔Sn-Cu>Sn-3.8Ag-0.7Cu>Sn-Pb>Sn-Ag；

4、锡-银-铋合金（Sn-Ag-Bi）和锡-银-铋-铟合金（Sn-Ag-Bi-In）：
a.物理和机械特性：Sn-Ag-Bi 这个三元系共熔点在138℃，可与二元系Sn-Bi合金相比拟，对于三元系Sn-Ag-Bi，具有非常窄的胶状范围，熔点温度接近于63Sn-37Pb；Tanaka等人应用在移动通信设备的无铅焊料的研究中，焊料的撞击抗阻按下列次序递减：Sn-3.5Ag-0.75Cu>Sn-3Ag-1In>0.7Cu>Sn-3.5Ag-0.5Bi-3in>63Sn-37Pb>Sn-3.2Ag-3Bi-1.1Cu-Ge>Sn-Ag-X；
b.浸润特性：Huang和Lee等人进行的回流焊接兼容性研究中，焊料黏胶回流中焊料的扩展性能按系列次序递增：89Sn-8Zn-3Bi<96.5Sn-3.5Ag<95Sn-5Sb<99.3Sn-0.7Cu/96.2Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb<93.6Sn-4.7Ag-1.7Cu<95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu<58Bi-42Sn<91.7Sn-3.5Ag-4.8Bi<90.5Sn-7.5Bi-2Ag<63Sn-37Pb；
c.可靠性：Hwang研究了一系列无铅焊料同温低循环疲劳性能，按降序排列如下：95.5Sn-3.5Ag-1Bi>96.5Sn-0.5Ag-3Bi>96.5Sn-3.5Ag>92Sn-3.3Ag-4.7Bi>63Sn-37Pb>91.7Sn-3.5Ag-4.8Bi>99.3Sn-0.7Cu；

5、锡-银-铜合金（Sn-Ag-Cu）和锡-银-铜+其他（Sn-Ag-Cu-X）:
a.物理性能：Sn-Ag-Cu是全球范围内共同倾向选择的一种无铅焊料，Sn-Ag-Cu和Sn-Ag-Cu-X的密度和电阻都是一致的，由于主体成分是Sn，与其它含Sn量高的合金的性能也是类似的，然而彼此之间硬度的差别却存在；
b.机械特性：与Sn-Pb相比，Sn-3.8Ag-0.7Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu的张力强度略高一些，而Sn-4.7Ag-1.7Cu则高得多，在接近三元共熔点附近成分时，如Sn-3.8Ag-0.7Cu，他它的屈服强度、剪切强度、撞击强度和蠕变阻抗都高于Sn-Pb的参数；
c.浸润特性：Toyoda研究了好几种合金的拓展性能，按降序排列如下：63Sn-37Pb>Sn-Ag-Cu-4.5Bi>Sn-Ag-Cu-7.5Bi>Sn-3.5Ag-0.75Cu>99.25Sn-0.75Cu>89Sn-8Zn-3Bi；
d.可靠性：Hwang等人研究了对于集中Sn-Ag-Cu和Sn-Ag-Cu-X合金同温低循环的疲劳特性，工作至失效的循环次数按下列次序下降：88.5Sn-3Ag-0.5Cu-8In>95.4Sn-3.1Ag-1.5Cu>96.2Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb>94.5Sn-0.5Ag-2Cu-3Sb>93.3Sn-3.1Ag-3.1Bi-0.5Cu>63Sn-37Pb，上述结果表明Sn-Ag-Cu-X是无铅替代焊料中具有应用潜力的一族合金材料；

6、锡-锌合金（Sn-Zn）和锡-锌-铋合金（Sn-Zn-Bi）：
a.物理特性：91Sn-9Zn由于具有相对低的熔化温度而颇具吸引力，然而Zn的化学活性较强，对于焊料黏连回流的应用是一个挑战，Bi的添加对于Sn-Zn张力的影响导致合金的脆化，与Sn-Ag-Cu非常相似；
b.浸润特性：含Zn的合金的浸润性都非常差，主要是Zn很容易受到氧化而且整体系统的表面能量较高的原因，并且后者导致了波焊洗浴保持的困难。当Sn-Zn-(Bi)作为焊料黏胶使用时，与大多数焊剂都不能稳定共存；
c.可靠性：对Sn-Zn-Bi系统可靠性的研究是通过确定在储存温度125℃下，储存时间和焊料连接的剪切强度来确定的，结果显示略高于Sn-Pb系统，Showa Denko的结果表明Sn-Zn-Bi对热处理不太敏感；

7、小结：到目前为止，Sn-Ag-Cu是最具有吸引力的系统，主要是因为其全面的优秀可靠性和可接受的焊接特性及价格。另外In、Bi或Sb的引入采取折衷方法提高了性能。Sn-Ag-Bi-X的焊接性能较为突出，但是对于铅的含量等较为敏感。Sn-Ag的可靠性在极差和极好之间，强烈依靠于其具体应用，其焊接性能勉强可以接受。Sn-Cu的力学性能较差，其可靠性依赖于具体应用，在极差和极好之间。Sn-Zn-Bi由于其熔点较低而具有吸引力，然而，由于含有Zn，Zn的高度反应能力阻止了此系统应用在高端产品中。