无铅钎料的研究现状与发展趋势

从20世纪90年代起，无铅钎料的研发就已成为业界的关注热点，早期的研发集中于确定新型合金成分、多元相图研究，以及润湿性、强度等基本性能考察。在此基础之上，近年来，各国的研究学者和一些大型公司纷纷致力于无铅钎料的研究工作，经过多年的发展逐渐形成了以Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Sb、Sn-Zn等二元系以及由此衍生出的Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi、Sn-Cu-Ni等三元系这两个无铅钎料体系。在对上述合金体系进一步优选之后，目前，业界普遍认为Sn-Ag、Sn-Cu和Sn-Zn合金及其衍生出的三元或多元合金是最具适应性和发展前途的无铅钎料体系，近年来，研究人员逐渐把注意力转向研发Ag含量低的Sn-Ag-Cu钎料上。

Sn-Ag合金具有良好的钎焊性能，但因其熔化温度较高，早期只作为高温钎料应用于生产，在电子产品进入无铅化生产后，人们再次将注意力重新集中到Sn-Ag钎料上。Sn-Ag共晶点为221℃，共晶成分是Sn-3.5Ag，其共晶组织是由β-Sn和微细的Ag₃ Sn相组成，目前主要应用于再流焊中。

Sn-Cu系无铅钎料的优点是价格低廉、热疲劳性能较好。大多数无铅钎料的成本较Sn-Pb钎料高出2～3倍，但是，Sn-Cu系钎料因其原料铜和锡的价格较为低廉，因而，其成本仅是Sn-Pb钎料的1.5倍左右。Sn-Cu的共晶成分是Sn-0.7Cu，共晶点为227℃，在铜含量（质量分数）高于0.7%时，液相线迅速上升，即合金的熔点随铜含量增加而快速升高，目前主要应用于波峰焊中。

Sn-Zn是一个比较简单的二元共晶系，其共晶成分是Sn-8.8Zn，共晶点为198.5℃，是所有Sn基二元合金中熔点与Sn-Pb钎料共晶点最为接近的，这就意味着如采用Sn-Zn钎料，那么焊接工艺就基本接近于传统的Sn-Pb钎料。而且，原料锌的储量丰富，价格低廉，且无毒副作用，但是Sn-Zn钎料由于Zn的易氧化导致其润湿性很差，这一难点至今仍未解决。(www.xing528.com)

Bi为一种低熔点金属，熔点是271℃，是一种脆性金属，它的导热、导电性能较差，其主要来源是铅矿的副产品。钎料中添加Bi主要是为了起到降低熔化温度的作用，Sn-Bi共晶合金的熔点为138℃，因此Sn-Bi通常用作低温无铅钎料，其在需要较低钎焊温度的封装中具有很大的优势。除了可以降低合金的熔化温度之外，Bi的存在还能有效地降低合金的表面张力，从而使得钎料具有较好的润湿性能。尽管Sn-Bi钎料是很有潜力的无铅合金体系并且其优点突出，但Bi的添加也带来了一些问题。首先，由于Bi自身很脆，添加Bi易对钎料的力学性能产生不良影响；其次，含Bi的钎料在波峰焊中的通孔焊点存在焊点剥离（lift-off）现象。

Sn-In合金的共晶成分是Sn-51In，熔点仅为120℃，远低于Sn-Pb共晶钎料的熔点，并且在Cu基板上的润湿性能优良，但由于In的价格比较昂贵，严重地制约了含In无铅钎料的应用，因此其只被应用于低温封装等较特殊的场合。

从二元系钎料衍生出来的三元钎料主要有Sn-Ag-Cu以及Sn-Cu-Ni。一方面，Sn-Ag-Cu钎料具有较好的钎焊性能与力学性能，并与现有的电子元器件较为匹配，因此它已成为再流焊工艺中的主导合金体系。另一方面，Sn-Cu合金由于其成本低廉等优点而备受关注，尤其是Sn-Cu钎料的改进产品——Sn-Cu-Ni钎料，在波峰焊工艺中可有效地减少钎料渣的形成和防止焊点“桥连”现象的产生，并且大大减少了对印制电路板上Cu的溶蚀，因此其已被推荐为波峰焊工艺中Sn-Pb钎料的替代品。