焊料成分性能分析.docx
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焊料成分性能分析
焊料成分、性能分析
(1)
杭州辛达狼焊接科技有限公司王大勇
1.焊料
焊料是钎焊用材料,已有4000余年的使用历史,其熔点比被焊母材低。
钎焊过程中将焊料加热到高于焊料熔点,而低于母材熔点的温度,焊料熔化后填
充接头间隙并与母材发生冶金作用,从而实现材料的连接。
用焊料焊接材料具有灵活、简单、不需大的设备投资等优点,在电气工程材料领域占据极为重要的地位。
焊料的种类较多,根据熔点可分为软焊料和硬焊料两大类。
通常将熔点低
于450℃的焊料称为软焊料,而熔点高于450℃的焊料称为硬焊料。
电气工程用软焊料包括锡铅、锡基无铅、金基、铟基、铋基和锌基焊料等;所用硬焊料包
括银基和铜基焊料等。
1.1焊料型号和牌号的表示方法
1.1.1焊料的型号
GB/T6208-1995《焊料型号表示方法》规定,焊料的型号由两部分构成:
第
一部分用大写字母来表示焊料的类型,“S”表示软焊料,“B”表示硬焊料;
第二部分合金主元素符号构成,且每个型号最多只能标出六个元素符号。
型号表示方法及示例如下:
1.1.2焊料的牌号
原机械工业部编写的《焊接材料产品样本》规定,焊料牌号由三部分构成:
(1)字母“HL”表示焊料;
(2)牌号的第1位数字表示焊料的化学组成类型,见表
4.7-1;
(3)牌号的第2、3位数字表示同一类焊料的不同牌号。
牌号表示方法示例如下:
表4.7-1焊料牌号中第1位数字的含义
牌号
化学组成类型
牌号
化学组成类型
HL1××
铜锌合金
HL5××
锌合金
HL2××
铜磷合金
HL6××
锡铅合金
HL3××
银合金
HL7××
镍基合金
HL4××
铝合金
1.2焊料的选用原则
焊料的种类较多,其选用主要遵循以下原则:
(1)主成分尽量与母材主成分相同,焊料的成分与母材相同,钎焊时具有良
好的润湿性。
(2)熔点合适,即焊料的液相线温度要低于母材固相线温度至少40-50℃
(3)焊料中的某一重要组元应能与母材产生液态互溶,从而能形成牢固的结合。
但焊料与母材间的相互作用应尽可能避免形成脆性金属间化合物,避免因母材的过分溶解而导致溶蚀。
(4)焊料与母材的主成分在元素周期表中的位置应尽量靠近,这样的焊料引
起的电化学腐蚀较小,即接头的抗腐蚀性好。
(5)焊料与母材间的热膨胀系数要匹配,如果二者热膨胀系数相差较大,则焊料/母材的界面处易形成残余应力集中,将严重弱化焊点的热疲劳性能。
(6)焊料与钎焊方法相匹配。
不同的钎焊方法对焊料的要求不同,如真空钎
焊时,焊料中应不含有蒸汽压高的合金元素,以避免污染真空系统。
(7)在钎焊温度下,焊料的主要成分应具有较高的化学稳定性,即具有较低
的蒸汽压和低的氧化性,以免钎焊过程中焊料成分发生改变。
(8)满足使用要求,即获得的钎焊接头的力学性能(强度、塑性等)和物理化学性能(导电、导热、抗氧化和耐腐蚀等)能满足被焊件的工作状态要求。
(9)生产成本低。
1.3电气工程常用焊料
1.3.1锡铅焊料
锡铅焊料熔点低、耐腐蚀性好,对铜、铜合金和钢润湿性好,广泛应用于电气零部件、
元件及引线连接以及普通端子和印刷电路板的连接等方面。
虽然无铅封装和组装已经是大
势所趋,但在一些特定领域尚没有开发出合适的无铅焊料,如服务器、存储器、微处理器
以及针型压接连接器等方面使用的高熔点、高铅含量的锡铅焊料无法用无铅焊料进行替代,
仍然在欧盟指令和我国指令的豁免条款之内。
因而,锡铅焊料的使用量虽然在逐年递减,
但目前仍有较大的应用价值和使用范围,本文仍然对其进行了详述介绍。
锡铅合金共晶成分中铅的质量份数为38.1%,共晶温度为183℃,图4.7-1为Sn-Pb
二元合金相图。
表4.7-2列出了常用锡铅焊料的化学成份和部分物理、力学性能。
根据接
头或焊点的电气性能、力学性能要求,工作温度在150℃以下的选用高锡的锡铅焊料,工
作温度在200℃以上的选用高铅焊料。
钎焊通信电缆用铅被覆护套时,为使作业时间充裕,
应使用35%-40%Sn的锡铅焊料;电器接线用的软焊料,要求焊点隆起,应选用50%Sn左
右的焊料。
图4.7-2给出了锡铅焊料密度、电导率、热导率、抗拉强度、抗剪强度和延伸率等性
能随铅含量的变化。
由图可见,铅含量增加,锡铅焊料的密度增大,而热导率和电导率却
迅速降低。
强度和延伸率均出现峰值,强度的峰值出现在铅含量为20%左右时,延伸率峰
值出现在铅含量为67%和80%左右。
锡铅焊料中加入锑,可提高焊料的抗氧化性,并提高接头热稳定性能;加入银可细化
晶粒并提高耐蚀性。
表4.7-3为添加微量合金元素的锡铅焊料的化学成份、性能和应用领
域。
采用
Sn-Pb焊料钎焊不同母材时的接头强度见表
4.7-4。
表
4.7-5~表
4.7-7分别列出了
Sn-Pb焊料在不同工作温度下的力学性能。
图4.7-1锡铅二元合金相图
表4.7-2Sn-Pb焊料的化学成份及性能
化学成份
密度/
熔化温度/℃
/(质量分数,%)
抗拉强度/MPa
延伸率/%
电阻率/μΩ·m
g/cm3
Pb
Sn
固相线
液相线
0
100
7.31
232
232
19
43
12.85
10
余量
7.57
183
220
43
25
-
20
余量
7.87
183
208
45
22
-
25
余量
8.02
183
196
44
22
-
38
余量
8.35
183
183
41
34
14.13
50
余量
8.87
183
209
36
32
15.82
60
余量
9.31
183
235
32
63
17.07
67
余量
9.61
183
250
32
66
-
70
余量
9.69
183
256
33
58
-
75
余量
9.94
183
265
28
52.1
-
80
余量
10.2
183
277
28
67
20.5
82
余量
10.2
183
277
28
67
-
85
余量
10.3
225
287
24
41
-
90
余量
10.8
265
302
22
32
-
95
余量
11.0
300
314
-
21
-
100
0
11.4
327
327
11
45
20
12
11
3)
10
m
c
/
g
9
(
/
度
密
8
7
0
20
40
60
80
100
w(Pb)/%
(a)密度
14
0.70
电导率
0.65
13
热导率
0.60)
k
12
.
)
m
/
m
0.55W
/
(
s
11
/
(
0.50率
/
率
导
导10
0.45热
电
9
0.40
8
0.35
7
0.30
0
20
40
60
80
100
w(Pb)/%
(b)电导率
55
70
50
60
45
40
50%
a
35
/
率
P
M
30
40伸
/
度
延
强25
30
20
抗拉强度
15
抗剪强度
20
10
延伸率
10
0
20
40
60
80
100
w(Pb)/%
(c)力学性能
图4.7-2Sn-Pb焊料的物理、力学性能
化学成份
型号/wt%
Pb其它Sn
余
S-Sn60Pb39Sb139Sb:
1
量
S-Pb80Sn18Sb2余量Sb:
218
S-Pb68Sn30Sb2余量Sb:
230
S-Pb58Sn40Sb2余量Sb:
240
表4.7-3Sn-Pb焊料添加微量合金元素后的性能抗拉
密度
熔点
强度
延伸率
电阻率
/g/cm3
/℃
/%
/μΩ.m
/MPa
8.5
183-
46
34
0.145
185
10.23
183-
27
67
0.220
277
9.69
183-
32
-
0.182
256
9.31
183-
37
63
0.170
235
特
熔点低,流动性好。
要求钎缝光洁的零件关、计算机零件、易熔点高,凝固区间大难,力学性能较差,和镀锌铁皮等强度要润湿性和力学性能较铁、镀锌铁皮等,如件、电缆护套等产品熔点低,润湿性好,学性能较好。
常用于制零件,如散热器、仪表等,是应用最广
余
S-Sn89.9Pb10Sb0.110Sb:
0.1
量
S-Pb92Sn5.5Ag2.5余量
Ag:
2.55.5
183-
42
25
0.12铅含量低,适宜于钎
-
222
295-
34
-
高温强度较高,用于
-
-
305
焊及火焰钎焊
化学成份
熔点
抗拉
电阻率/
密度
延伸率
型号
Wt%
/℃
强度
特
Pb
/g/cm3
(%)
μΩ.m
其它Sn
/MPa
S-Sn60Pb39.2
39.2
Sb:
0.8
60
-
183-
46
-
-
力学性能和熔化温度
185
183-
常用于钎焊铜、黄铜
S-Sn50Pb49.2Sb0.8
余量
Sb:
0.8
50
-
37
32
0.156
可钎焊散热器、计算
210
等
S-Pb94Sn1.5Ag5.5
余量
Ag:
5.5
1.5
-
302-
-
-
-
熔点高,凝固区间小
304
交换器等高温工作的
S-Pb97.5SnAg1.5
余量
Ag:
1.5
1
-
309
-
-
-
共晶型焊料,熔点高
交换器等高温工作的
S-Pb90Sn8Ag2
余量
Ag:
2
8
-
285-
34
67
0.216
熔点高,凝固区间小
295
交换器等高温工作的
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表4.7-4锡铅焊料钎焊接头的力学性能
焊料强度
型号
/MPa
S-Sn60Pb39Sb146
S-Pb80Sn18Sb227
S-Pb68Sn30Sb232
S-Pb58Sn40Sb237
S-Sn90Pb1042
S-Sn60Pb4046
S-Pb93Sn5Ag234
S-Sn50Pb5037
母材
纯铜
黄铜
钢
纯铜
黄铜
低碳钢
镀锌铁皮
镀锡铁皮
1Cr18Ni9Ti
纯铜
黄铜
低碳钢
镀锌铁皮
镀锡铁皮
1Cr18Ni9Ti
纯铜
黄铜
低碳钢
镀锌铁皮
镀锡铁皮
1Cr18Ni9Ti
纯铜
黄铜
1Cr18Ni9Ti
纯铜
黄铜
钢
纯铜
黄铜
-
接头强度/MPa
抗拉强度
剪切强度
93
34
78
34
96
35
84
37
92
37
102.8
49.9
-
42.1
-
46.0
-
21.5
76
36
86
37
112
49.0
-
41.1
-
35.2
-
32.3
76
36
78
45
112
59
-
55
-
48
-
31
88
45
89
44
-
32.3
93
34
78
34
96
35
54
36
87
39
-
-
表4.7-5锡铅焊料在150℃时的性能
Sn含量/wt%抗拉强度/MPa延伸率/%
8
杭州辛达狼焊接科技有限公司
5
10
35
10
13
70
20
13
120
30
13
140
40
13
140
50
13
145
60
12
150
表4.7-6
锡铅焊料的低温性能
锡含量
试验温度
抗拉强度
抗剪强度
延伸率
/wt%
/℃
/MPa
/MPa
/%
10
-73
41
31
34
20
-73
48
37
32
40
-73
48
40
43
60
-73
59
54
48
10
-196
59
43
27
20
-196
85
58
30
40
-196
87
77
30
60
-196
130
110
10
表4.7-7
锡铅焊料的蠕变应力
-寿命
成分/wt%
寿命为
1000h时的起始蠕变应力/MPa
Sn
Pb
其它
20℃
100℃
10
90
-
35
1.1
40
60
-
21
4.2
60
40
-
29
4.5
62
36
Ag:
2
-
27.0
40
58
Sb:
2
49
5.9
5
93.5
Ag:
1.5
16
-
1
97.5
Ag:
1.5
19.5
-
1.3.2锡基无铅软焊料
铅及其化合物是有毒物质,损害人类健康,污染环境。
随着人类环保意识的增强,
世界各国已相继出台一系列法令和法规来防治电子产品所带来的生态问题,限制铅在电子产品中的使用,最有影响力的是欧盟于2003年颁布的WEEE指令(《报废电子电器设备指令》)和ROHS指令(《电器和电子设备中限制使用某些有害物质指令》),执行日期是2006年7月1日。
我国于2006年2月也颁布了相应的《电子信息产品污
9
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染控制管理办法》,规定2007年3月1日起开始实施。
欧盟和我国的指令都明确规定在指定日期前停止在监管电子产品中使用含铅材料。
在无铅绿色制造这一大趋势下,许多国家的科研机构和企业已开始加大投入来研发无铅焊料,并积极推广其应用。
目前已开发出的无铅焊料主要有Sn-Ag系,Sn-Cu系,Sn-Zn系和Sn-Ag-Cu系等,并通过添加P、Ni、Ag、Sb、Cu、In、Bi等元素获得不同性能的系列产品。
如
千住金属工业株式会社的JS3027441专利、亚通电子有限公司的ZL03129619.X专利和艾奥瓦州立大学的US5527628专利,分别公开了各自的Sn-Ag-Cu系无铅焊料;AIM
的US5525577专利和US5352407专利,公开了Sn-Ag-Cu-Sb系无铅焊料;松下电器
产业株式会社的CN1087994C专利和北京工业大学的CN1586793A专利申请公开了各
自开发的Sn-Zn系无铅焊料;千住金属工业株式会社的CN1496780A专利申请公开了
Sn-Cu系无铅焊料;韩国三星电机株式会社的CN1040302C、CN1040303C专利和
CN1139607A专利申请公开了Sn-Bi系无铅焊料等。
目前尚无统一的无铅焊料标准,ISO-9453国际标准、JIS-Z-3282标准、欧盟
ROHS
指令以及我国正在制订的无铅焊料标准都明确规定,
只要产品中的铅含量小于
0.1wt%,那么可以认为该产品就是无铅的。
1.Sn-Cu系
图4.7-3为Sn-Cu合金相图,共晶点成份Cu质量份数为0.7%,共晶温度为227℃,室温下生成(Sn)和Cu6Sn5共晶组织,见图4.7-4,其性能见表4.7-8。
Cu6Sn5金属间化合物的热稳定性相对较差,极易发生粗化,因而Sn-Cu焊料的强度和塑性都相对较低。
Sn-0.7Cu焊料的力学性能比Sn-37Pb焊料差,润湿性也远低于
Sn-37Pb焊料,故
早期没有用做焊料。
随着欧盟指令的出台和无铅化的深入推广,人们又重新审视
Sn-0.7Cu合金作为焊料使用的可靠性,
特别是作为波峰焊和浸焊用焊料。
并通过添加
微量Ni、P、Ge、Sb、Bi和稀土等元素,来改善
Sn-0.7Cu焊料合金的微观结构,进
而提高其物理和力学性能。
添加微量的Ni可细化Sn-Cu合金内的Cu6
Sn5金属间化合物,从而可显著提高焊
料的塑性,并少量提高焊料的润湿性;加入
Ag可改善焊料的润湿性和力学性能,并
能有效地降低焊料合金的熔点;加入
P、Ga、Ge、Sb等元素可提高焊料的抗氧化性
能,减少残渣的产生,从而节约生产成本和提高焊接性;微量的
Sb还可提高焊料的
强度和高温耐疲劳性能。
添加稀土元素可以细化晶粒、
抑制组织粗化和提高焊料的抗
蠕变疲劳性能。
Sn-Cu
系无铅焊料的化学成分和主要性能见表
4.7-9。
10
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图4.7-3Sn-Cu二元合金相图
4.7-4Sn-0.7Cu焊料微观组织
焊接过程中,熔融的锡铜焊料与被焊
Cu基体在界面处首先进行元素间的扩散,
焊料中的Sn元素向Cu内扩散,而Cu由Cu基体向焊料中扩散,并在界面发生冶金
反应,形成金属间化合物层,金属间化合物层的形成是保证焊料和被焊母材实现良好
连接的重要前提。
界面不同区域的
TEM衍射花样研究结果表明,界面由
Cu65
和
Sn
Cu3Sn两种金属间化合物层所构成,
Cu6Sn5层邻近焊料一侧,Cu3Sn层介于Cu和
CuSn层之间,见图
4.7-5。
CuSn会造成不润湿现象、脆化焊点界面,从而严重恶化
6
5
3
焊点的可靠性,一般出现于焊接温度过高,或焊接时间过长的工艺上,通过优化焊接
工艺可避免Cu3Sn的形成。
Cu6Sn5层的强度较高,是焊点具有良好力学性能和电性能
的保证。
Cu6
5
层过薄,容易形成冷焊点;
65
Sn
CuSn层过厚,容易在热冲击下于界面附
近形成微裂纹(见图
4.7-6)和脆化界面,从而弱化焊点的可靠性,适宜的
Cu6Sn5层
厚度为1m左右。
11
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(a)界面不同区域TEM衍射花样
(b)界面金属间化合物层(c)Cu6Sn5微观形貌
图4.7-5Sn-Cu/Cu焊点界面微观形貌
图4.7-6金属间化合物层过厚所导致的微裂纹
被焊母材表面有Ni镀层时,界面形成Ni3Sn4金属间化合物层,见图4.7-7。
12
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图4.7-7Sn-Cu/Ni/Cu焊点界面微观形貌
表4.7-8Sn-0.7焊料的性能
焊料合金
拉伸强度/MPa
延伸率/%
熔点/℃
润湿时间/S
Sn-0.7Cu
38.4
23.6
227
2.3
表4.7-9Sn-Cu系无铅焊料的化学成分和熔点
化学成份/(质量分数,%)
熔化温度/℃
Cu
Ag
In
其它
Sn
固相线
液相线
0.2
-
-
Zn:
2;Te:
0.8
余量
226
228
0.3
-
-
-
余量
227
230
0.5
-
6
Ga:
0.5
余量
210
215
0.6
-
-
Ni:
0.2
余量
227
231
0.7
-
-
-
余量
227
227
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