无铅焊料的热疲劳特性
无铅焊料研究报告综述
无铅焊料研究报告综述无铅焊料是一种对环境友好且高效的焊接材料。
本文将综述无铅焊料的研究报告，涵盖其背景、特性、应用和发展趋势。
总体而言，无铅焊料是一种有希望替代传统铅基焊料的焊接技术。
1.背景无铅焊料的研发是为了减少对环境的污染。
传统的铅基焊料含有大量的铅，当焊接过程中铅被释放到环境中时，对人体健康和环境造成了潜在的危害。
为了保护人类和环境的健康，全球范围内开始研发无铅焊料。
2.特性无铅焊料具有一系列优点。
首先，无铅焊料在高温下的性能比传统铅基焊料更好，可以在更高的温度下进行焊接，提高了焊接的质量和可靠性。
其次，无铅焊料不会产生有毒的铅蒸汽，避免了对工人和环境的污染。
此外，无铅焊料还具有较低的成本和更长的寿命，使其变得更加可行和具有竞争力。
3.应用无铅焊料广泛应用于电子产品的制造过程中。
例如，它可以用于手机、电脑、电视和其他电子设备的电路板的焊接。
无铅焊料还可用于汽车制造、航空航天、医疗器械和其他领域的焊接。
4.发展趋势无铅焊料的研究和应用仍在不断发展。
研究人员正在寻找更好的无铅焊料配方，以提高其性能和可靠性。
此外，随着全球对环境保护要求的提高，无铅焊料将会得到更广泛的应用。
目前，一些国家已经颁布了禁止使用铅基焊料的法律和法规，促使了无铅焊料的市场需求。
总结起来，无铅焊料是一种有希望替代传统铅基焊料的焊接技术。
它具有环境友好、高效和广泛应用的特点。
随着全球对环境保护意识的提高，无铅焊料的研究和应用将会得到更大的关注和发展。
无铅焊料的性能及作用
电子组装对无铅焊料的性能要求
• 1、无铅焊料的熔点要低：从前面的内容 知道，除Sn-Bi系及Sn-In合金外，所有的 无铅焊料的熔点温度都高于Sn63Pb37合 金的熔点温度，这将对工艺、设备、材 料等方面带来很大的不良影响，因此开 发出的无铅焊料，应当有较低的熔点温 度。
2、无铅焊料要有良好的润湿性；无铅焊料表面张力比 有铅焊料高，其扩散率比锡铅焊料低，不利于焊点的形 成，得到的焊点形状不圆润饱满，弯月面小，严重的还 会造成虚焊。润湿性差，这对锡膏印刷工艺的要求更高， 增加了工艺的难度。无铅焊料获得的焊点外观粗糙，表 面粗糙很难清洗干净，就会影响电性能。如果使用传统 的AOI进行检查，由于漫反射光无法正常识别。因此要 求无铅焊料要有良好的润湿性。一般情况下，再流焊时 焊料在液相线以上停留的时间为30-90秒，波峰焊时被焊 接组件管脚及线路板基板面与锡液波峰接触的时间为4 秒左右，使用无铅焊料以后，要保证在以上时间范围内 焊料能表现出良好的润湿性能，才能保证优质的焊接效 果。
Sn-Ag-Cu三元合金
• 在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持SnAg合金良好性能的同时稍微降低熔点， 而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中 铜的溶蚀，因此逐渐成为国际上标准的 无铅焊料。图5-12为Sn-Ag-Cu三元合金 状态图。锡银铜系焊料有着良好的物理 特性。
Sn-Bi系及Sn-In合金
•同时液固共存领域大，焊料易发生半月 面提升现象。另外Bi在焊接过程中会出现 枝装晶偏析。研究结果表明：在Sn-20Bi 为基体的合金,添加0.7%的Ag、0.1%的In 可以使Bi的偏析稍有改善,使Bi细小分散。 In虽然价格高，但是其自身的熔点为 156℃，可以用作低熔点焊料。该合金塑 性也非常好。含In合金的另一个特征是具 有抑制Ag或Au溶蚀的优点。在需要更低 熔点的情况下使用。
浅析无铅焊接工艺技术
浅析无铅焊接工艺技术
无铅焊接工艺技术是当前电子行业追求环保的重要举措之一，它是用无铅焊料代替传统的含铅焊料来进行电子组件的连接。
无铅焊接技术的使用有以下几个优点：
1. 健康环保：含铅焊料可能会对健康和环境造成污染，但是无铅焊料的使用就减少了铅对环境的污染和对人体的伤害。
2. 耐热性：无铅焊料的耐热性能更高，能够满足现代电子元件的高温需求。
3. 焊点强度：无铅焊料的焊点强度更好，能够满足现代电子设备各种复杂形状的连接要求。
无铅焊接工艺技术具体包括以下几个方面：
1. 焊接温度的控制
无铅焊料的熔点比含铅焊料高，因此在使用无铅焊料时需要将焊接温度控制在适当的范围内，以确保焊点的质量。
3. 焊接设备和材料的选用
应选用高质量的焊接设备和材料，以确保无铅焊接的质量。
4. 操作技巧的掌握
无铅焊接工艺技术需要具备一定的技巧，包括正确选择焊接设备和材料、掌握焊接时温度和时间的控制等。
综上所述，无铅焊接工艺技术的应用可以大大减少环境污染和对人体的危害，同时也可以提高焊接强度和耐热性能，是电子行业环保发展的重要步骤。
无铅焊料特性及应用研究
3.关于无铅焊锡要求 .专利权 .合适的熔接温度 ＜260℃的PCB回焊、波焊温度 .良好的润湿性 .氮气可以不使用 .加工性 锡丝制造等 .适当之Creep .适当焊接强度 .良好的耐热性 .焊接性能 空洞、桥连 .环保 不破坏环境、毒性 .价格低廉 价格=Sn/Pb
3.无铅焊锡之进程 1.从纯锡到Sn/Ag/Cu 2.各种无铅焊锡之优缺点 3.无铅焊锡Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5与Sn63/Pb37共晶焊锡特性比较 4.温度与热 5.无铅化焊锡选择 6.结论
但是从经济方面考虑，则予以用在波峰焊接中，因为其润湿性和纯锡相 近，不是很好，故较难期待能有效通过“导通孔”，而仅适用于单面板。
粗大的Cu6Sn5结晶形成于焊锡内，也是机械性能劣化的主要原因，促使 Cu6Sn5结晶的细化，可加入Ag、Ni。Au等第三元素。
高温置放，结晶体也不会粗化，故Sn/Ag耐热性特优。 .Ag含量增加， Ag3Sn颗粒粗化且分散于β-Sn中，成为微细的网状结构 .但当Ag＞4%时，机械性能开始劣化， Ag3Sn结晶粗化成＞10μm，此尺寸
约等于龟裂大小。因此，性能度较高的合金组织，因避免结晶粗化成 ＞10μm。
（1）Bi的添加
（4）Zn的添加
在Sn/Ag无铅系统中，Zn的加入可以使结晶颗粒微细化，增加强度与 Creep特性，另一方面此合金表面容易形成氧化膜，促使润湿性降低， 焊接难度增加。
2.2.2Sn/Bi合金系统的组织与性质
依据相图判断，Bi ＜2%时虽应该不会产生共晶组织，但是，Bi极易在 Sn中产生“偏析”。Bi即使是在低浓度的环境中，也容易出现共晶组 织。此即固、液相线温差，在焊料冷却时会产生“凝固偏析”现象。 在80℃时是十分安定的合金组织，超过140℃，Bi即形成极端粗化，变 脆，这是因为于139℃共晶反应，这很难从相图直接了解原因。
无铅焊料及相应工艺
03
无铅焊料的工艺流程
焊前准备
清洁
01
确保焊料和焊接表面的清洁，去除油渍、氧化层和其他杂质，
以提高焊接质量。
预热
02
对焊接表面进行预热，以降低焊料的凝固点和提高焊接速度。
选择焊料
03
根据具体应用需求选择合适的无铅焊料，确保其具有良好的流
动性和润湿性。
焊接过程
熔融焊料
将焊料加热至熔融状态，使其具有良好的流动性。
04
无铅焊料的发展趋势和 挑战
技术发展趋势
高可靠性
无铅焊料需要具备更高的可靠性和耐久性，以满足电子产品不断升 级的性能要求。
高导热性
随着电子设备高功率化的发展，无铅焊料需要具备更高的导热性能， 以降低热阻和散热不良的风险。
小型化
随着电子设备小型化的发展，无铅焊料需要具备更小的体积和更精细 的微结构，以满足焊接细小部件的需求。
机械特性
硬度与强度
无铅焊料的硬度与强度较高，能 够提供更好的机械保护和支撑作
用。
疲劳性能
无铅焊料的疲劳性能优于传统锡铅 焊料，能够更好地承受循环载荷和 振动。
延展性与韧性
无铅焊料的延展性和韧性较好，能 够更好地吸收和分散应力，减少焊 接点的断裂风险。
02
无铅焊料的应用领域
电子工业
电子元件连接
波峰焊接
无铅焊料及相应工艺
contents
目录
• 无铅焊料的特性 • 无铅焊料的应用领域 • 无铅焊料的工艺流程 • 无铅焊料的发展趋势和挑战
01
无铅焊料的特性
物理特性
01
02
03
熔点范围
无铅焊料的熔点范围通常 比传统锡铅焊料高，一般 在200-300℃之间。
无铅焊料1
无铅焊料常见无铅焊料合金性能介绍无铅焊料成为电子组装行业的主要焊接材料。
无铅焊料地发展过程中，各种各样的无铅焊料不断涌现，对于无铅焊料合金的组织结构特点和性能的了解就显的十分重要。
由于ROHS 指令和WEEE指令在欧洲会议获得批准，2006年7月开始欧洲将禁止含铅电子产品的销售，同时中国也开始进入了无铅化的时代，这都使无铅焊料成为了必然。
对于电子行业来说无铅焊料的选择成为了一个关键的问题。
为此，材料界进行了大量的研究工作，试图找出可以替代Sn－Pb焊料的无铅焊料。
现在各种系别组成的无铅焊料合金有很多种，其中主要有：Sn －Ag、Sn－Zn、Sn－Bi、Sn－Cu等二元合金以及在此基础上添加其他合金元素形成的三元、四元乃至五元合金。
下面就对现今主要的无铅焊料合金组织结构及性能进行介绍。
Sn－Ag系列Sn－Ag系焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。
典型的组成比例是Sn96.5-Ag3.5，其熔点为221℃。
这种焊料所形成的合金组织是由不含银的纯β－Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。
添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。
随着Ag含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。
从强度方面来说，添加1-2％以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。
添加3％以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb 共晶焊锡要高，但超过3.5％以后，拉伸强度相对降低。
这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶。
形成粗大的金属间化合物不仅使强度降低，而且对疲劳和冲击性能也有不良影响，因此对Ag的含量和金属界面的金属间化合物要进行认真的考究。
在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点，而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中铜的浸析。
Sn－Ag－Cu无铅焊料是目前被认为最接近实用化的Sn－Pb焊料替代品，也是目前无铅焊料得首选。
电子设备无铅焊点的热疲劳工艺性分析与研究
内燃机与配件
电子设备无铅焊点的热疲劳工艺性分析与研究
党艳银
（江苏自动化研究所，连云港 222000）
摘要院 随着科学技术的不断进步，电子设备器件焊接的无铅化在经济社会中被广泛应用，但其使用过程中也产生了一些故障。其 中，表面贴装器件焊点失效，是造成电子设备故障的主要原因。本文对介绍了电子设备的无铅焊点的热疲劳情况，并进行了相关的工 艺性分析与研究。
2.3 Ag3Cu 颗粒分析 在电子设备的无铅焊点中，包含 Ag3Cu 颗粒，其颗粒 的形貌、组成结构以及数量等，都是影响 SnAgCu 焊点的 重要部分。实践表明，当 Ag3Cu 颗粒之间的距离比较大、颗 粒数量比较少，焊点的可靠性很难得到保障；而 Ag3Cu 颗 粒之间的距离比较小，颗粒的数量比较多，则可以抑制混 乱的状况，从而保障焊点的稳定性。现阶段有关 Ag3Cu 颗 粒对于焊点影响的完整理论体系仍不完善，Ag3Cu 颗粒与 焊点性能的内在联系也没有得到证实。 2.4 Sn 晶体取向及形貌分析 在电子设备的无铅焊点中，SAC 这种无铅焊点类型， 其主要是由 Sn 组成的。Sn 的主要结构为四边形，其在组 成 Sn 晶体的过程中，由于晶体方向难以控制，这种钎料的 物理性质及机械表现也存在很大的差异。总之，Sn 晶体的 取向问题，是影响 SAC 焊点性质的主要问题。同时，实验 表明 Sn 晶体的形状、大小以及其他性质，都会对 SAC 焊 点的热疲劳产生一定的影响。技术人员童工温度加速试 验，分析 Sn 晶体的性质，了解焊点早期与晚期的失效情 况。此外，应建立有关焊点的微观模型，为计算出焊点的热 疲劳寿命提供有价值的参考。 2.5 参数监测及特征损伤产量提取 通常情况下，在对相关参数进行检测以及提取焊点损 伤特征的过程中，都会使用电子显微镜对焊点部位进行扫 描。通过显微镜的观测的试验结果，对焊点部位出现裂纹 的情况及其拓展情况进行分析。同时，技术人员应对晶体
无铅焊料的热蠕变疲劳分析
无铅焊料的热蠕变疲劳分析1、输入条件按照-55℃～105℃循环，10分钟从-55℃升到105℃，恒定110分钟，20分钟降到-55℃，恒定40分钟。
一次循环时间为180分钟，一天8个循环其中：N f表示焊球热疲劳寿命，T s表示热循环平均温度，f表示一天内温度循环频率，根据温度载荷可知，最高温度为105℃，最低温度为-55℃，所以T s=25℃，一次温度循环时间约3h，所以f=8，求得c=-0.41877。
εf′为表示材料疲劳延性的材料参数，取εf′=0.325，∆γ数值通过有限元分析获取∆ε表示等效塑性应变范围，焊料在温循过程中，等效塑性应变的变化曲线如下图1 应变随时间变化曲线最大塑性等效应变为0.0553，最小塑性等效应变为0.0086（取断电后温度进入稳定状态时的最小应变值），∆ε=0.0463，∆γ=√3∆ε=0.080192带入计算得到N f=73.98（天），约1775.5h恒定温度105℃。
2、蠕变寿命蠕变疲劳和机械疲劳是两个概念，蠕变指的是结构在高于熔点的0.3倍的环境下工作时候，即使受力的大小不变，其应变也会持续增大，直到最后断裂。
具体分为三个阶段：初始蠕变或过渡蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；稳态蠕变、定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。
应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。
但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。
通过ANSYS进行热应力计算，结合nCode软件进行蠕变疲劳分析，分析流程如下所示，nCode提供专门的CAECreep求解器，采用Larson-Miller算法进行求解图2 nCode分析流程nCode中提供的蠕变LM曲线如下所示， nCode自带材料库可以给用户提供丰富的材料参数，同时同于也可以基于nCode提供的公式进行相关LM曲线的拟合。
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无铅焊料的热疲劳特性
对无铅焊料进行热疲劳研究是最近才开始的事情，至今还没有构成完整的寿命预测模型，美国NCMS (NationalCenterforManufacturingSciences）的Lead Free solder project 曾对无铅焊料的热疲劳特性作了大量的研究。
作为焊料接合部热疲劳特性的评价方法，有通过视力对疲劳开裂的评价方法、利用电阻值变化的计测方法、或通过剥离试验对接合部剩余强度进行测定的方法等，对有框架引线类的QFP、PLCC等大多采用剥离试验求出接合部剩余强度再进行评价的方法。
图6.1-图6.4是将QFP 通过Sn-3.5Ag-x系无铅焊料组装于基板后，经热循环测试的器件与基板接合强度变化，及各个循环数的接合强度在初始强度下的减少关系（表示单位mass %）采用的QFP 试件由图6.5 表示（引线间距0.65mm、线数100）。
QFP 的引线电镀了S n-20Pb ，热循环制订二种方式，-30℃-130℃温度范围（△T-160K ）和。
0℃-100 ℃温度范围（△T = l00K )，升降速度1.78K/min，保持时间10min，采用气相式温度循环试验机。
接合强度使用万能精密拉伸试验机，用0.5mm / min 的十字型滑块速度将引线框对着Cu 焊区垂直方向进行拉伸，在试验次数到30 次后，再用威伯尔曲线图计算出平均拉伸强度。
各焊料接合部的初始强度，除去合金Alloy H ( Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合强度都在其以上或同等。
Sn-3.5Ag在添加Bi 后，其接合强度有上升的趋势，在2%时其强度达到峰值，其它场合强度都表示了降低趋势，Alloy H 合金所显示的初始强度与其他合金相比是最低的。
在添加Cu 的场合，接合强度同样显示上升，到1%时，比Sn-37Pb 、Sn-3.5Ag 有更好的接合强度。
分析AT = 100 K 时各合金热循环和接合强度的关系，不难看出Sn-3.5Ag、添加Cu 后的接合强度下降趋势缓慢，而添加Bi 后，不管哪种合金都随着热循环数的增加接合强度明显下降，对添加Bi比较，Sn-3.5Ag 添加Cu、其强度下降非常少，即进入1200次循环后也不出现热疲劳损伤，具极优异的热疲劳抵抗性，而添加Bi 的合金焊料、其显示的接合强度，有的比Sn-37Pb还低。
由此说明，在△T=100K 温度循环下，要保证无铅焊料具Sn-37Pb 以上的热疲劳抵抗性，Bi 添加量的界限为2%。
△T=160K 与△T=100K的比较，强度跌落的斜度较大，与添加Bi 的合金比较，Sn-3.5Ag 和添加Cu 的合金热疲劳特性良好、强度下降系数与△T=100K相同。
Sn-3.5Ag的热疲劳抵抗性最好，在1200次循环后强度还保持在初始强度的80%添加Bi的合金强度降低与其浓度有关、在1200次循环后其强度为初始强度的20%程度。
添加Cu的合金，明显地受到热疲劳损伤，1200次循环后其强度大体上与Sn-37Pb相同。
热疲劳试验证明，在△T =160K时，特性超过目前Sn-37Pb所具热疲劳抵抗的合金有Sn-3.5Ag或添加1%Cu以下的合金焊料，从合金熔点的观点考虑，Bi的含量多对其合金性
能比较有利，从热疲劳抵抗观点考虑，Bi的含量应该加以限止．
6.2 QFP/焊料接合部的热疲劳损伤过程。
△T = 160K ，经200、400次循环后Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag-5Bi 焊料接合部的各种断面组织由图6.6 表示。
对其断面组织观察，先用2400＃的金刚砂研磨观察面，再用1mm 的金刚石研磨膏进行抛光研磨，经光学显微镜分析、200 次循环后的Sn-3.5Ag 和Sn-3.5Ag-0.5Cu 焊料接合部看不到热疲劳的开裂，Sn-3.5Ag-5Bi 接合部，在焊料弯月面上部发现有裂纹，其裂纹已接近引线框。
400 次循环后的观察分析、各个合金接合部均已发生裂纹，Sn-3.5Ag 的接合部裂纹的进展量较少、Sn-3.5Ag-0.5Cu 接合部裂纹已接近引线框，Sn-3.5Ag-5Bi 接合部的开裂就更严重。
热疲劳开裂进展倾向，用拉伸的强度下降系数来反映或评价热疲劳损伤看来是妥当的。
另外，开裂在弯月面上部发生后，会向内部发展，并进一步沿引线框进展的状态，这可称为热疲劳损伤过程的前半部（显示焊料疲劳特性），焊料/引线框界面的开裂进展状态可称作热疲劳损伤的后半部，暗示了QFP/焊料接合部的热疲劳特性。
热疲劳损伤过程的前半部与焊料的低循环疲劳特性相似，也意味着焊料疲劳特性是热疲劳特性的反映，特别是△T=100K场合，热疲劳试验结果与焊料疲劳特性间有着良好的相关关系。
Sn-3.5Ag 和Sn-3.5Ag-SBi 系合金接合部疲劳开裂的过程，经扫描型电子显微镜观察照片由图6.7 表示，(△T = l 60K )。
图示说明，热疲劳开裂在弯月面上部发生后向弯月面内部进展并沿着引线框展开。
Sn-3.5Ag接合部疲劳开裂状况。
由图6.7（a）表示的那样会在生存界面的金属化合物层附近展开，Sn-3.5Ag-Cu的接合部损伤与上述的相同。
S n-3.5Ag-5Bi 接合部的开裂进展情况在图上也可确认，该合金是Bi 含量多的高强度焊料，因焊料层强度高，受负荷的应变在焊料层不能充分吸收，开裂都发生在接合界面的金属化合物层内部，通常，开裂都从破坏韧性低的化合物层中向伸长性好的焊料一侧缓慢地进展。
然而，含有Bi 的合金热疲劳抵抗低，造成焊料本身的疲劳抵抗性低，这是开裂过程容易通过的原因。
另外，比引线框电镀中含有Pb或Bi-Pb，会在Sn-3.5Ag-5Bi焊料的接合界面附近偏析，开裂也会沿这个Pb层进展，有这种因素引起的热疲劳抵抗劣化，也是需要考虑的。
关于无铅焊料热疲劳特性目前的研究，只能在有关限止的条件下加以相互比较，今后进行正确寿命预测的详细研究是必要的。
（利用模拟型热疲劳试验机）Sn-3.5Ag 和Sn-Ag-Cu 系都具优异的热疲劳特性。
但是在当前使用时，由于组装基板和元件的表面处理还未做到无铅化，在生存接合界面的各种金属化合物层将影响到接合部的热疲劳特性，这是无铅焊料应用中的问题悬念。
为今后得到可靠性良好的接合体，对各种因素的问题更要执行详细的基础研究。