时间: 2024-12-20 13:34:48 | 作者: 多元酸
软钎料在电子制造领域扮演着至关重要的角色，大多数都用在电子元器件的焊接工艺。传统上，锡铅系合金因其优良的焊接性能和低成本而被普遍的使用。然而，铅的毒性对环境和人体健康构成了严重威胁，促使全世界内对无铅钎料的需求日益增长。
软钎料，用于软钎焊工艺，主要以锡（Sn）为基础，辅以铅（Pb）、铜（Cu）、银（Ag）、铋（Bi）、锑（Sb）等元素形成的合金。它们分为锡铅系合金和无铅合金两大类。锡铅系合金，作为传统软钎料，以共晶合金Sn63Pb37为代表，其共晶点183℃，具备低熔点、小表面张力、优异的铜基材润湿性及良好导电性，且成本低廉，因此在电子元器件焊接领域广泛应用。
随着环境保护和人体健康意识的提升，铅的毒性对环境和人体健康构成威胁。全世界内，各国纷纷出台法规推动电子科技类产品无铅化。包括欧盟的WEEE/RoHS指令、日本的《家电回收法》和《资源有效利用促进法》、美国的“NEMI无铅工程”以及中国的《电器电子科技类产品有害于人体健康的物质限制使用管理办法》等。无铅合金替代锡铅合金成为行业发展的必然趋势。
无铅合金在电子组装行业应用需满足五项基础要求：1.不含非环保有毒物质；2.熔化温度接近锡铅钎料，且熔化温度区间窄；3.具备相似或更优的焊接性能；4.综合性能不低于锡铅钎料；5.成本不显著高于锡铅钎料。
全球已研发出百余种无铅钎料，但实际应用的仅十余种。这些无铅钎料主要是 Sn 与 Bi、Zn、In、Sb、Ag、Cu 等合金元素组成二元、三元甚至是多元合金体系。这些合金元素的金属单质的相对成本、熔点及其性能见下表。
国内外目前研究的无铅钎料二元合金主要有 Sn-Bi 系、Sn-Zn 系、Sn-In 系、Sn-Ag系、Sn-Cu 系等，三元或多元合金则是基于二元合金，根据应用需求添加其他合金元素形成。
1.Sn-Bi 系：锡铋二元合金的共晶成分为 Sn-57Bi，熔点为 139℃，是一种低温无铅钎料，其焊接时比 Sn-Pb 共晶合金所需要的焊接温度更低，消耗能量更少；Bi 元素可增加软钎焊材料的润湿性能，提高材料的抗拉强度；但 Bi 元素使 Sn-Bi 合金呈硬脆性，其延展性较差，耐热稳定性低。这些缺点限制了 Sn-Bi 合金的应用场景范围。人们通过在 Sn-Bi合金中添加微量的其它合金元素，以改善其延展性。比如加入 1%的 Ag 元素可最大限度提高合金的断裂延伸率，加入 0.3%的 Sb 元素可提高 Sn-Bi 共晶合金的延展性，加入少量 Cu 可细化焊点晶粒，增加焊点强度、导电、导热性能，加入 Re 元素可增加钎料润湿性，提高焊点强度。
2.Sn-Zn 系：锡锌二元合金的共晶成分为 Sn-8.8Zn，其熔点为 198.5℃，比 Sn-Pb 共晶合金熔点仅高 15℃，是熔点最接近 Sn-Pb 共晶合金的无铅钎料合金。该合金的力学性能好，其抗拉强度、抗蠕变强度、延伸率都高于 Sn-Pb 共晶合金。但该钎料合金的润湿性较差，是因为 Sn-Zn 共晶液态合金表面张力较大，另外 Zn 元素活性较强，在高温情况下较易被氧化而形成氧化膜，该氧化膜包裹在熔融合金表面，阻碍了钎料在被焊铜基材表面的流动和扩散，从而难以形成合金。为了改善 Sn-Zn 合金的的润湿性，可添加 Bi、In 等合金元素。研究表明，加入少量 Bi 元素可改善熔融合金的润湿性，增加焊接的铺展面积。In 能大大的提升合金的润湿能力，缩短焊接时的润湿时间。
3.Sn-In 系：锡铟二元合金的共晶成分为 Sn-52In,熔点仅 119℃。锡铟共晶合金的韧性、润湿性、耐疲劳腐蚀性都优于锡铅共晶合金，但由于铟的价格昂贵，限制了其应用。
该合金大多数都用在低温领域以及需要热阻小的场合，例如，如玻璃封装合金、导热芯片和多芯片模块等热界面的连接。
4.Sn-Ag系: 锡银二元合金的共晶合金含Ag 的质量分数为3.5%，共晶温度是221℃。
锡银合金中 Ag 含量一般不超过 5%，在此范围内，焊点中生成的 Ag3Sn 金属间化合物弥散分布于锡组织中，因此焊点具有比 Sn-Pb 共晶合金更高的强度。Sn-Ag 系合金的力学性能、导电性、耐热性、抗蠕变性优良，是含铅钎料最佳的替代材料。通常在 Sn-Ag
二元合金中添加 Bi、Sb、In、Cu 等元素组成多元合金，以进一步改善其综合性能。这其中 Sn-Ag-Cu 系因其优良的综合性能得到最多的青睐。通过对世界主要电子科技类产品制造商的调查可知，无铅钎料在波峰焊、回流焊、激光锡焊和手工焊应用中，Sn-Ag-Cu 钎料的比例都超过 50%。Sn-Ag-Cu 三元合金的共晶成分熔点比 Sn-Ag 二元共晶熔点更低，可焊性更好，润湿性有显著改善。
5.Sn-Cu 系: 锡铜二元共晶合金成分是 Sn0.7Cu,其熔点是 227℃。该合金成分简单，对杂质元素的敏感度较低；具有成本低，耐热疲劳腐蚀性好等优点，大范围的应用于高温波峰焊中。但 Sn-Cu 钎料强度较低，润湿性较差，可通过添加 Bi、Ag、Ni 等元素来改善其综合力学性能和钎焊性能。Sn-Cu 合金中加入 Bi 可降低钎料熔点，提高铺展性能，但Bi 的存在导致钎料电阻率增加，延展性变差，易产生微裂纹，不适合气密性封装。Sn-Cu 合金中加 0.01%左右的 P 元素能改善其抗氧化性和润湿性，Sn-Cu 合金中加入 Ag 能提高钎料的润湿性和综合力学性能，加入 Ni 可改善铺展性能，还可以抗氧化，减少锡渣产生。另外，对于 Sn-Cu 合金润湿性，还能够最终靠匹配活性较高的助焊剂进行改善。
无铅钎料的实用性在多个行业中得到了验证。在汽车行业中，Sn-Ag 和 Sn-Cu 合金因其出色的耐热性和抗振动性能，被大范围的应用于车载电子设备的焊接。而在消费电子领域，Sn-Ag-Cu 钎料因其卓越的可靠性和性能，已成为智能手机和笔记本电脑制造的首选材料。这些应用案例证明了无铅钎料在现代电子组装中的关键作用，并预示着其在未来电子制造业中的广泛渗透。
随着环保法规的加强和公众对健康问题的关注，无铅钎料的发展已成为电子制造业的重要趋势。无铅钎料不仅减少了对环境的污染，也保护了生产线工人的健康。随着新材料的不断开发和焊接技术的持续进步，无铅钎料在性能上已逐渐接近甚至超越传统锡铅钎料，展现出良好的市场潜力和发展前途。在未来，我们预期无铅钎料将在更广泛的应用领域替代传统钎料，推动电子行业的绿色革命，实现可持续发展。
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