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1、二、无铅焊料的评价内容理想中的无铅焊料最好是与原来Sn-Pb 共晶焊料特性相同的靠近低熔点处的类似型焊料。共晶焊料的主要特性，除具备低熔点外，能够像纯金属那样在单一温度下熔融、凝固。作为Sn-Pb 共晶替代物的无铅焊料，也希望具有与Sn-Pb 相同的熔融温度范围、良好的接合性能、润湿性等。在开发研制过程中，要完全达到原有焊料相同的性质是困难的，只有通过对Sn 基合金添加AS/Bi、In、Cu等元素，组成性能最接近于原来使用焊料的替代物，同时要考虑到替代物（无铅焊料）的无毒性，制造成本，保存稳定性等因素。图2.1 是无铅焊料中候补合金系示意。对Sn-Ag 共晶和Sn-Zn 共晶添加Bi、In ，
2、目的是降低其溶点，添加Cu是为了使其组织细微化，并抑制Cu的溶解，随着某些应用上的要求，今后也可能添加Ce、Ni、P等元素。目前对无铅焊料进行评价，衡量的报告比较少，只有在替代实用过程中，或根据所用素材本身的润湿，使用性能来比较鉴别，以促进无铅焊料的应用发展。无铅焊料的特征比较见表2.1，含添加了0.5%程度的Cu。2 无铅焊料的熔融温度范围Sn 基无铅焊料的熔点测定方式有下面三种（l）同原来的热分析（TA )页码；（2）示差热分析（DTA )； （3）示差扫描热量分析（DSC )。通常采用第3种方式，对焊料由液体状态向固体状态转化时，测定其冷却曲线。这在回流焊接中，因焊料的熔融动态形成的润湿
3、、流向、弯月面是个重要的因素。各种熔融温度的测定方法特征和低熔点共晶、对固相线、液相线测定的适用性由表2.2 表示，可以看出，低熔点共晶在加热时的DSC 或DTA ，对固相线冷却时的热分析或加热时的DSC ，在液相线冷却时求得是最适宜的。无铅焊料属Sn 基合金，应充分理解由过冷却因素，需在冷却时进行液相线、固相线温度测定的这个特征。表2.2 各种熔融温度的侧定方法特征图2.2 是对Sn-3.SAg 合金的测定例，图中（a）的热分析可明显地看到冷却过程时的过冷却，凝固中回到共晶温度时不发生液相线温度误差。图中（b）的DSC 在升温过程中熔融起始温度和共晶温度是一致的。由于过冷却因素，冷却过程后的
4、散热不能表示其共晶温度，与峰值温度的液相线和固相线是没有关系的。根据最近无铅焊料的研究报告，经加热过程时的DSC 测定，由峰值温度确定液相线温度的例子是很多的。实际上，只从平衡状态图方面考虑，所拿来发表的数值是不对的，因吸热峰具加热速度依存性，不是物性值，在实用工艺上有把握焊料熔融动态的意义，仅靠这一点来表示液相线是有误差的。无铅焊料熔融温度范围的确定，要考虑到下面几点：（l）为决定液相线温度防止过冷却发生，在过冷的情况下宜采用方便的测定方法（TA 和DTA 的共用）；（2）低熔点共晶的检测，经DSC 可对加热过程有效地进行测定，在低熔点共晶基础偏析场合，可利用数次加热冷却的循环来进行探测。（
5、3）不是由加热过程来确定液相线温度。3 焊料强度测定焊料本身强度的方法有二种，一是制作试验用的拉伸试验样件，样件通过铸造做成，不经过任何机械加工，另一种是将铸造后得到的拉伸用样件，经机械加工后做成符合试验用的圆棒，再进行试验。图2.3 是焊料试件用的板、圆棒。前一种试验样件，因是铸造件存在的表面缺陷，大都会产生凝固收缩变形或发生裂纹，加上浇口方式的差异得到的数据也不同，后一种样件经机械加工后，去掉了表面缺陷，但样件上可能存在的加工误差，也会产生位置上的偏差。按操作工人的使用习惯程度，采用后一种方式作为试验样件的情况居多，具体执行时就要考虑到样件铸造形状，铸造温度，冷却速度，采用的位置精度等因素
6、。图2.4 是Sn-Ag-Bi 系无铅焊料的抗拉强度及延伸时Bi 含有量的影响示意，可看出Bi 含量的增加，强度就增加，延伸性就降低。在拉伸试验中，由应变速度变化形成的载荷一位移曲线见图2.50 拉伸变形中应变速度减少一位负荷就会降低，这种现象说明，负荷的应变速度依存性，按照合金成分组成、试验温度、应变速度范围而产生不同的变化。原来的Sn-Pb 焊料在高温下会发生微细粒超塑性现象，说明在室温时的拉伸发生的蠕变就大，例图2.5 所示，应变速度（通常的拉伸变形速度）从10-4/s 降到10-5/s ，负荷就会大大减少，sn-Ag 系无铅焊料特别是Sn-Ag-Bi 系焊料，这种倾向就小。图2.6 是
7、几种不同合金在0.2 屈服强度的应变速度感受示意，应变速度感受次序为：Sn-3.Pb Sn-3. S-3.5A-3In-0.5Bi。这里显示的数值与材料的蠕变特性有关，可通过应变速度变化的拉伸试验法来推算其热疲劳特性。抗拉强度和屈服强度没有指定的数值，会按照试验条件的异同产生变化。无铅焊料的强度试验有几个注意之处，其拉伸试验比常规的拉伸变形速度所表示的感受性系数要小，在低应变速度情况下抗拉强度比Sn-Pb共晶要小，其蠕变性质比Sa-Pb 共晶难以生存，因此按照要求，测算其抗拉强度，最好在3位数的应变速度范围内进行（10-2/s10-4/s 范围），由不同的应变速度来计算抗拉强度。2.4 接合点
8、强度由于润湿性和物性值的异同，焊接时会造成弯月面形状的不一致，焊料本身强度与接点强度的不合，随着界面层的形成会带来破坏过程的变化。同Sn-Pb共晶比较相同的焊膏印刷厚度，虽然焊料体积一样，但润湿性的不一致也会发生焊料弯月面的差异。接合点强度试验可分为拉伸、剥离、剪切三种，拉伸和剥离适用于引线类贴片元件，剪切适用于阻容类贴片件（见图2.7 ）。引线的拉伸试验如图2.8 所示，从反向决定弯月面的最大负荷，引线从封装体的断离和不断离，其拉伸数值当然不同。通过强度的绝对值观察时效变化，并从基板的45 度方向进行拉伸试验，这种做法比较普遍。图2.9 是QFP 引线（SN-3.5AG 电镀）的剥离试验结果
9、，采用Sn-2.7 -2.4-AG-Bi无铅焊产中Bi为0.5%的最大值，随着Bi量的增加强度逐步降低，说明不对应焊料本身强度在形成的引线界面Sn-Fe-Bi层中Bi含有量的关系。图2.10 是SN-3.SAG-3IN-Bl 无铅焊料经150 摄氏度时效后的强度变化，图中可看到SN-37pb 时效后的强度跌落情况。接合界面的强度关系同样说明无铅焊料中Bl 含量的增大其强度会减少。另外，片式元件剪切强度的规定虽然己有标准，但对微小型元件来说，剪切试验中切断夹具安装位置的偏差都会使结果发生差异，易受到焊料量多少的影响。在使用无铅焊料时要考虑到，由于其强度、润湿性原因，所形成弯月面形状的差别而发生强
10、度差。2.5 润湿性（l）润湿试验润湿试验一般采用润湿曲线，经润湿时间、润湿力进行润湿平衡评价。目前，专门用于无铅焊料润湿试验的装置和方法都没有，只能依据原来的试验来执行，利用原波峰焊接的方式来评价比较方便。润湿平衡试验，如果焊料温度固定，液相线温度低的焊料，其润湿时间就短，润湿的起始温度由焊料的成分组成来确定。润湿时间如对应着试件的上升温度，不一定表明润湿的真正作用，应该从试件尺寸、表面状态、试验焊料槽的表面积、体积、助焊条件、试验条件等各个方面进行分析比较。（2）扩展试验扩展试验是通过一定重量（体积）的焊料，在扩展后测定焊料的高度，以求出扩展率。扩展率（%）-100( D-H )/D 这里
11、：H-扩展后的焊料高度（测定值）；D-试验用焊料球直径，D = l.24V ； V-质量/比重。润湿性好的焊料扩展率会超过90 % ，扩展率的简单计算方法，可以由扩展面积通过接触角进行计算，将扩展部分看作为球的一部分利用几何学来求出，通常所用的试料少的场合产生的误差就少。（3）桥联试验应该从实用性观点评价无铅焊料的润湿性，并设立桥联试验方法，根据试验方法测定无铅焊料桥联的发生频度，测定数据有待于今后的技术报告。（4）实用化试验无铅焊料在向规模化，实用化应用时，关键的是操作（作业）温度条件的变更，特别是装载耐热性差的片式元件在高温时间的焊接温度曲线较难设定。针对高密度组装的微型焊接特征，SMT
12、基板在回流炉内通过后，这时所有的接合点最好在适合的温度条件氛围中进行回流焊接，小型基板，热容差小的元器件一般都没有问题，大型基板热容差大肘，焊接中就必须谋求均匀的上升温度，不然将会产生润湿性的差异，对弯月面形状、接点强度造成不良影响。QFP 引线上升温度及QFP 的设置间隔见图2.11 ，组装密度高，间隔距离小的基板温度上升就慢。理想的温度曲线最好是所有接点的上升温度是均一的，但实际上很难做到，通常都采用较慢的上升速度使基板进入适宜的温度范围并给予设定。有时上升速度过快，会在熔融焊料与母材金属或电镀材料（电极镀层）产生过剩反应，形成金属间化合物，随着金属化层的溶解产生去湿不良。对熔融温度高的无铅焊料，焊接中要获得合格的接合点，必须提高焊接操作温度，在设定焊接温度时，同时又要考虑到贴装元件的耐热性，基板的受热变形因素，避免由于温度不足发生的接合不良。改善无铅焊料焊接时的不良，方法有以下几点：1 可使用防止氧化的充氮焊接方式。2 对无铅焊料进行适当的表面处理（电镀、金属化）3 开发适合于无铅焊料使用（配合）的助焊剂。4 有效地利用某些添加元素。5 只要工艺许可，适当提高焊接温度改善润湿性。