无铅焊料及相关推荐

焊料是易熔金属，它在母材表面能形成合金，并与母材连为一体，不仅实现机械连接，同时也用于电气连接。焊料通常由两种基本金属和几种熔点低于425℃的金属组成。焊料中的合金成分和比例对焊料的熔点、密度、机械性能、热性能和电性能都有显著的影响。

1.锡铅焊料

表4-6和表4-7分别列出了常用焊料的组成及其主要特性。由表4-6和表4-7可以看出，锡铅焊料具有良好的机械性能和电气性能，而且Sn63Pb37共晶焊料的熔点为183℃，正好在电子设备最高工作温度之上，而焊接温度为225～230℃，该温度在焊接过程中对元件所能承受的高温来说仍是适当的，完全符合焊接工艺的要求。同时，锡铅金属在地球上含量是非常丰富的，已探明的锡储量大约为1000万吨，锡铅金属价格比其他金属要低得多。因此锡铅焊料以其高性能、低价格等优势，长期以来被人们广泛使用。

由表4-6可以看出，在锡铅系焊料中，加入铋和铟，焊料的最低熔点可降至150℃左右，而锡铅焊料中锡的含量降至10%以下或在其中加入银等金属后，熔点可升至300℃以上。由表4-7可以看出，从熔点、机械性能和电性能等综合考虑，焊料Sn63Pb37和Sn62Pb36Ag2是最佳的选择，而在低熔点焊料中，Sn43Pb43Bi14则是较好的选择。

表4-6　常用焊料合金组成

表4-7　各种焊料的物理和机械性能

2.无铅焊料

电子产品报废以后，若直接埋于地下，PCB板焊料中的铅易溶于含氧的水中，污染水源，破坏环境。铅的可溶解性使它在人体内累积，损害神经，导致呆滞、高血压、贫血等疾病，浓度过大，可能致癌。因此，随着人们对铅认识的加深，铅的危害已经引起了人们足够的重视。欧盟规定自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须是无铅产品。目前，已经有50多种不同比例的无铅焊料申请了专利，但仅有少部分用于正式的SMT生产。

合金中铅含量小于0.1wt%，并且不含任何其他有毒元素的焊料合金称为无铅焊料。常用无铅焊料是以Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Bi、In等金属元素的Sn基合金，通过添加这些金属元素可以改善合金性能，提高可焊性、可靠性。下面介绍常用的无铅焊料。

（1）Sn Ag系

Sn Ag3.5共晶合金是早期开发的无铅焊料，其熔点为221℃。Sn Ag3.5焊料具有优良的机械性能、拉伸强度、蠕变特性，耐热老化比Sn63Pb37焊料优越，延展性也仅仅比Sn63Pb37焊料稍差。因此Sn Ag3.5共晶焊料很早以前就被应用在军工产品和IC的封装中。但由于Sn Ag3.5熔点偏高，润湿性差，成本高，限制了它的广泛使用。近年来，通过对Sn Ag3.5的改进性研究，发现通过添加少量或微量的Cu、Bi、In等元素，可以降低合金熔点，并且润湿性和可靠性得到提高，为无铅焊料走向实用化起到关键性突破作用。

（2）Sn AgCu系

Sn Ag3.0-4.0Cu0.5-0.75三元合金是目前被大家公认的适用于无铅回流焊接的合金组分，其熔点为216℃～222℃。Sn Ag3.0-4.0Cu0.5-0.75合金相当于在Sn Ag合金里添加了Cu，能够在保持Sn Ag合金良好性能的同时，稍微降低熔点，同时Cu的存在，能够减少焊接时对母材Cu的溶蚀，因此Sn Ag3.0-4.0Cu0.5-0.75合金逐渐成为国际上应用最多的无铅合金。

（3）SnCu系

SnCu0.75共晶合金，其熔点为227℃。SnCu焊料的润湿性、波峰焊接后残渣的形成和可靠性仅次于Sn AgCu焊料，而成本比Sn AgCu低得多。但过量Cu会在焊料内出现粗化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊点的机械强度。研究表明在SnCu合金中添加少量的Ni可以增加焊接中焊料的流动性，添加少量的Ag可以改善焊料的机械性能，添加少量的Sb可以减少焊料中残渣的产生。目前，国外已把SnCu0.7Ni用作专用无铅波峰焊焊料。

（4）SnBi系

SnBi58为共晶合金，其熔点为139℃，通常用来做低温焊料。无铅合金中加入Bi能提高它的润湿性，降低合金的熔点，但会明显降低合金的部分机械性能，特别是抗疲劳性。研究表明，在SnBi58中添加少量的Ag，可以明显改善SnBi58合金的机械性能。但由于Bi金属的储量不是太高，其价格明显较高，这些均不利于SnBi系合金的推广。

（5）SnZn系

SnZn8.8共晶合金，其熔点为198.5℃，与Sn63Pb37相近。Sn Zn系合金具有较低的熔点，机械性能好，长期延展性与Sn63Pb37相当，具有良好的蠕变特性，可制成线材使用，储量丰富，价格低。但Sn Zn合金中Zn极易氧化形成稳定的化合物，导致润湿性变差，可焊性差，焊接后的SnZn焊点也因Sn与Zn之间电极电位差构成微电池而易形成腐蚀。研究表明，在SnZn系中添加Ag、Cu、In等元素，可以提高其强度和抗腐蚀性，添加Bi来改善润湿性。

总之，目前应用最多的、用于回流焊的无铅焊料是Sn Ag3.0-4.0Cu0.5-0.75焊料，其熔点为217℃左右。美国主要采用Sn Ag3.9Cu0.6无铅焊料，欧洲主要采用Sn Ag3.8Cu0.7无铅焊料，日本主要采用Sn Ag3.0Cu0.5无铅焊料。由于Ag含量为3.0%的焊料没有专利权，而且价格较便宜，焊点质量较好，因此IPC推荐采用Ag含量为3.0%的Sn-Ag-Cu焊料。

用于波峰焊的无铅焊料合金主要为SnCu0.7或SnCu0.7Ni焊料合金，其熔点为227℃。但在高可靠性要求的场合，波峰焊大多还是采用Sn AgCu焊料。(www.xing528.com)

用于手工焊的无铅焊料合金主要为Sn AgCu、SnCu、Sn Ag焊料。

常用的无铅焊料的固相温度和液相温度如表4-8所示。

表4-8　常用无铅焊料合金的固相、液相温度

3.焊料形状

在表面组装焊接工艺中常用的焊料形式有：棒状、丝状、预成形焊料和膏状焊料（焊膏）。在不同的应用场合采用不同形式的焊料。

（1）棒状焊料

棒状焊料用于浸渍焊接和波峰焊接，如图4-18（a）所示。使用时将棒状焊料溶于焊料槽中。实际应用时要注意两个问题，即液面的氧化和焊料成分的不均匀化。

（2）丝状焊料

丝状焊料用于手工烙铁焊接场合，如图4-18（b）所示。丝状焊料采用线材引申加工——冷挤压法或热挤压法制成，中空部分填装助焊剂，焊接过程中能均匀地供给助焊剂。助焊剂的填装有许多诀窍，用于防止助焊剂飞溅。在有些情况下，也采用实心丝状焊料。

（3）预成形焊料

预成形焊料主要在激光等回流焊接工艺中采用，也可用于普通回流焊接工艺，如图4-18（c）所示。这种焊料有不同的形状，一般有垫片状、小片状、圆片状、环状和球状，根据不同需要选择使用。

（4）膏状焊料

在回流焊接工艺中采用膏状焊料，称为焊膏，如图4-18（d）所示。

图4-18　焊料形状

（a）棒状焊料；（b）丝状焊料；（c）预成型焊料；（d）膏状焊料

表4-9列出了各种常用焊料合金温度以及使用场合对照表。

表4-9　各种焊料合金温度对照表

续表