2020年11月第四期1
刘平1,2钟海锋2冯斌1石磊1金霞1，2（1.浙江亚通焊材有限公司杭州310030;2.浙江省钎焊材料与技术重点实验室杭州310030）
摘要：本文介绍了在电子组装领域用于特定场合的特种合金软钎料，并与Sn-Pb钎料进行了对比，分析了优劣势，详细阐述了各自的应用场景。 关键词：In-Pb钎料；低温钎料；高温无铅钎料；电子组装
真空回流炉0前言
钎焊在工业上被定义为采用比母材熔点低的钎料，采取低于母材固相线而高于钎料液相线的操作温度，通过熔化的钎料将母材连接在一起的一种焊接技术。美国焊接学会AWS及我国的国标将450兀作为分界线，规定钎料液相线温度高于450兀所进行的钎焊为硬钎焊，低于450兀所进行的钎焊为软钎焊。软钎焊料广泛应用于电子、微电子组装领域，起着电连接、机械连接、散热或密封等作用。锡铅钎料在电子行业的应用历史悠久，尽管目前已经通过立法限制含铅钎料的使用，锡铅钎料仍是软钎料的基础。
由于Pb对环境和人类的危害，欧盟于2006年颁布了（WEEE指令》和《RoHS指令》两项法规，限定危险物质的使用，其中电子焊料中Pb限制在0.1%以下，因此出现了现在广泛使用的Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Bi系无铅钎料口-3】，已大规模替代传统的锡铅钎料Sn63Pb37o但目前为止，对高铅钎料的替代仍然是个难题，因此在某些产品中含铅钎料的使用仍被豁免，另外在航空航天及军工领域，由于锡铅钎料拥有几千年使用的实践、长期可靠性数据库、超低温下性能的稳定性、锡铅不同配比形成的温度梯度等优点，含铅钎料的应用依然不可或缺。除了在电子工业领域普遍使用的锡铅、无铅钎料外，本文就一些软钎焊料特种合金进行介绍，并结合其特点详细阐述应用场景。
1In-Pb钎料
In-Pb钎料不像Sn-Pb那样容易吃金（镀金层的焊接溶蚀），所以锢/铅钎料被推荐用于焊接镀金焊盘或端子。由图1金/锢的相图显示，在225兀〜250兀的焊接温度下，锡溶解金的重量约为18%o 在相同的条件下，在锢中只有2%到4%的金被溶解。因此，随着金的溶出大幅度减少，形成的金属间化合物较少，进而改善了金表面的焊料流动，如图2所示。
----曲曲-------J呗
舶宀70貼宀5：嘉佃
^e^ht I'enx-nt inauim$耐
L
图1Au-In二元相图
图2In-Pb焊料/Au界面化合物
基金项目：浙江省重点研发计划（2017C01076
）
22020年11月第四期
In-Pb钎料比Sn-Pb钎料有着更好的抗疲劳性能，近年来被广泛应用于军事及航天领域，与Sn 基钎料相比，In-Pb钎料在电极或焊盘金层的表面，生成的Auln2层厚度远小于Sn基钎料中AuSn4的厚度，能够防止金的流失与渗透，增强焊点的可靠性⑷。In-Pb钎料的电导率与Sn-Pb合金接近，可以避免电信号在焊点上的损耗，还可以兼容不同类型的助焊剂。In-Pb合金元素不同配比可以生产出熔点从150兀〜280兀的不同类型的锢基钎料（见表1），用于多级阶梯电子组装，适应不同温度的要求。
表1In-Pb钎料合金
合金成分熔化温度范围/% In5Pb92.5Ag2.5300-310
In25Pb75250〜264
In30Pb70238〜253
In40Pb60195〜225
In50Pb50180〜209
In60Pb40174〜185
In70Pb30160〜174
In80Pbl5Ag5149〜150
In-Pb焊料对碱性介质有较高的抗腐蚀性，对金属和非金属都具有良好的润湿能力，与PCB焊盘的铜、锡、银、金、镰等镀层，元器件引脚镀层，有良好的钎焊性能，形成的焊点具有电阻低、塑性高等优点，可用于不同热膨胀系数材料的匹配封装⑸，如玻璃、石英、陶瓷、电真空器件、低温超导器件等材料的钎焊。
2低温钎料
由于某些元器件和PCB板的耐热温度特性，以及提升焊接温度对芯片MSL等级的影响，电子组装行业需要合适的无铅低温钎料。在低温能进行组装的钎料有Sn-Bi系合金⑹（高做含量35%〜60%Bi合金为首选）及In合金等。Sn-Bi合金具有一定的脆性，不耐机械冲击；In合金塑形好，能抑制Ag或Au溶蚀。
2.1Sn-Bi合金
Sn-58Bi合金，共晶温度为138兀，在分级封装中的后端组装及对温度敏感的元器件组装中，主要应用
于LED、高频头、柔性版等热敏感电子元器件的封装，以及用于散热器的组装。Sn-Bi系焊料在较宽的温度范围内与Sn-Pb有相同的弹性模量，并且Bi的很多物理化学特性与Pb相似，Bi的使用可以降低熔点、减少表面张力，Bi的加入降低了Sn 与Cu的反应速度，在Cu上具有较好的润湿性；此外Sn-Bi系焊料含有较低的Sn含量，降低了高锡风险（如锡须）。典型的Sn-Bi合金为Sn-58Bi和Sn-35Bi-lAg，物理性能指标如表2所示⑺。
低温合金的物理性能
表2
合金成分
熔点密度电阻率20C热膨胀热导率0.2%屈服抗拉强延伸率剪切强度
/%/g•cm_3/y Q•cm系数/x10-抵-1/J L强度/MPa度/MPa/%/MPa SnBi581398.7533.015.021.037.543.554.2548.0 SnBi35Agl144〜1798.2119.019.037.474.088.024.5036.4 SnPb371838.4013.324.050.027.230.672.0034.5
2.2In合金
In-3Ag为低温In基共晶钎料，熔点为143兀，抗拉强度低，适用于低温低强度封装。In同Bi—样，能降低表面能，对Cu具有良好的润湿性。相较于Sn基钎料，In-3Ag钎料能抑制Au或Ag的溶蚀，其导电、导热性好，可靠性高，尤其对玻璃、陶瓷等非金属具有良好的润湿性，可应用于金属化的可伐盖板和错窗的密封钎焊⑻，已成为微电子组装的主要特种焊料之一。
In基钎料较Sn基钎料在密封性能上更具有优势，In基钎料具有低的弹性强度，能够有效地吸收密封钎焊及随后的热循环过程中可伐盖板和玻璃光窗由于热失配所产生的热应力，避免热应力传递在界面上产生裂纹，导致气密性失效。In基钎料熔点低，能够降低钎焊过程中由于温度原因在组装结构上产生的过高热应力，同时生成的金属间化合物（IMC）具有较高熔点，能够满足后端封装高温的需要,In基钎料和金属化Au反应生成较好延展性的Auln2相，这将很大程度提高密封钎焊长期使用的可靠性⑼。
2020年11月第四期软钎焊料特种合金及其应用3
3高温无铅钎料
表3为按温度排序的组装工艺分类，在软钎焊
领域，将超过250兀以上的焊接工艺温度视为高温 电子组装，在多级封装器件中一般属于一级封装， 传统的高温钎料一般是高铅锡合金，自20世纪90
年代至今，业界尚未到一种与Pb-Sn 合金媲美 的高温无铅钎料，欧盟已将Pb 含量大于等于85%
的钎料列入RoHS 指令的豁免条款而允许继续使 用。尽管如此，无铅高温钎料代替高铅钎料仍是电 子圭寸装的必然趋势。
表3 按温度排序的组装工艺分类
焊接工艺
峰值温度/%
高温
>250SAC 234 〜250
中等温度195 〜210低温
130〜200
超低温
< 110
3.1 Sn-Sb 钎料
Sn - Sb 钎料合金代表性成分为Sn - 5Sb 和 Sn-10Sb，熔化温度范围分别是230兀〜240兀，
235兀〜250兀，适合高温应用，铸在钎料中形成的 金属间化合物SbSn，具有高硬度的立方结构，Sn -
Sb 合金是低应力下蠕变抗力最好的Sn 基合金［1°］。 虽然Sn-5Sb 和Sn-lOSb 综合性能较好，但是合金
的固相线温度较低，为230兀左右，无法很好地应用
在二次回流中，要想取代高Pb 钎料，需要通过进一 步研究来改善其熔化行为、脆性和可靠性。作为高
温钎料，Sn - 5Sb 在150兀时的抗拉强度为
22.4MP&，适合应用于钎焊铜和铜合金管接头、热水
器等工作温度达100兀的零件钎焊〔I 】］。
3.2 Au-Ge 钎料
金错合金共晶点成分Au - 12Ge ，共晶温度
表4
室温下Au80Sn20共晶合金的物理性能
参数密度
膨胀系数拉伸强度杨氏模量
剪切模量热导率
电阻率延伸率
/g • cm _ 3/x lO^K -1泊松比
/MPa /GPa /GPa /J
/y Q • cm
/
%
数值
14.7162756825
0.405
57
16.4
2
3.4 Bi-Ag 钎料
Bi- Ag 共晶合金（Bi - 2.5%Ag ）有较合适的熔 点262.5兀，Bi - Ag 合金的硬度和Pb - 5Sn 合金很
接近，价格比Au - 20Sn 钎料便宜，但是该合金脆性
356兀。金错合金应用于微电子器件中为半导体芯 片提供机械支撑、接通半导体芯片的电流通路、散
逸半导体芯片产生热的作用［⑵。室温下，Ge 在Au
中的固溶度w0.1wt%Ge，而Au 在Ge 中实际不固 溶，因此该合金在固态是由富Au 固溶体和纯Ge 组
成的共晶体。金错合金具有如下特征：
1） 较低的蒸气压。在熔化温度其蒸气压约为 10-呱；
2） 较好的耐腐蚀和抗氧化性能；
3） 良好的流散性；4） 高温稳定性较好；
5） 焊接时一般不形成脆性相，因而焊接强度 高。
金错合金常用在电子产品、电真空器件焊接及 高温焊接和某些特殊材料的焊接，在大气或氢气炉
中钎焊镀金可伐，镀银铝材等，特别适用于钎焊高
真空系统中使用的器件。
3.3 Aii-Sn 钎料
熔点为280兀的共晶Au80Sn20合金焊料，对某
些可靠性要求高且高温应用的电子互连，已经作为 高铅钎料的替代品用于芯片粘结，因具有高强度、 高热导率、免助焊剂等优异性能，且对镀金层焊盘
有天然的适应性，因此是各种高端器件、光电子器
件和功率电子器件的理想封装材料。用Au80Sn20 合金进行焊接具有以下优点：钎焊温度适中，310兀
左右；烧结强度高，共晶合金具有很高的屈服强度， 高温下仍可满足气密性要求；焊接时无需钎剂，Au
是高稳定性贵金属，在焊接时氧化程度甚微；湿润
性很好，无或者很少发生对金层的扩散侵蚀现象；
液体焊料的粘滞性较低，流动性很好，焊缝中的孔 隙可以得到很好的填充。Au80Sn20共晶焊料一般 通过铸造拉拔轧制法、叠层冷轧复合法和电镀沉积
法制备出所需要的焊料［⑶。
大，加工性差和与基体结合强度弱等，故实际应用 仍然存在问题，但通过改进，已有商业化的新型
Bi-Ag-X 焊锡膏的应用案例［⑷o
42020年11月第四期
3.5Sn-Ag-Sb钎料
Sn-Ag-Sb钎料是一种可靠性高的焊锡，在锡中添加Ag会产生Ag3Sn的微细析晶强化，而添加Sb会产生固溶强化从而提高了焊锡的强度。65Sn-25Ag-10Sb(熔点为230兀〜235兀)被命名为摩托罗拉J合金[⑸，这种焊料中存在大量的硬SbSn相，是一种抗蠕变性能较好、强度高的高温合金，目前被用作Au-Si材料的替代品。Sn85AgSb 具有较高的高温强度和很好的耐腐蚀性，可代替铅基钎料钎焊在较高温度和高湿度条件下工作的零件，接头强度达60MPa〜80MPa[11]。
4结语
随着高端电子和微电子组装技术的发展，不同应用场景会对软钎焊料合金提出不同的要求，与消费电子产品组装技术不同，在一些军工电子、半导体封装、热敏感器件封装领域，软钎特种合金发挥特别重要的连接作用，具有广阔的应用前景。尽管在某些特殊场合，可能上述钎料合金难以满足某些方面的性能，但通过研究添加微量元素来改性钎料合金性能，已成为科学界的研究热点。
参考文献
[1]郭福.无铅钎焊技术与应用[M].北京：科学出版社，
2005
[2]刘平，姚琲，顾小龙，等.Sn3.8Ag0.7Cu和Sn37Pb焊点
界面显微结构研究[J].电子显微学报，2011,30(2)：102〜107
[3]Ping Liu,Pei Yao,Jim Liu.Evolutions of the interface and
shear strength between SnAgCu xNi solder and Cu substrate during isothermal aging at150%[j].Journal of Alloys and
Compounds,2009,486(1-2)：474〜479
[4]杨东升，张悦.金层和银层锢基焊料钎焊界面组织性能
研究[J].电子与封装,2017,168:12-15
[5]袁俊，龚瑜，冯江敏，等.基于InPb合金的非制冷焦平面
探测器窗口低温焊接工艺研究[J].红外技术,2017,39
(7):659-663
[6]刘平，龙郑易，顾小龙，等.低温无铅焊料[J].电子工艺
技术，2014,35(4)：198〜200
[7]徐俊，胡强，林刚，等.Sn-Bi系列低温无铅焊料及其
发展趋势[J].电子工艺技术，2009,30(1):1-4
[8]王新宇，田野.低温In-3Ag钎料用于MOEMS的真空密
封钎焊[J].焊接技术,2010,39(10):33〜36
[9]杨东升，王晨曦.In基钎料焊点高温老化组织性能研究
[J].电子工艺技术，2017,38(2):67〜70
[10]菅沼克昭.无铅焊接技术[M].北京：科学出版社，
2004
[11]张启运，庄鸿寿.钎焊手册[M].北京：机械工业出版
社,2008
[12]阳岸恒，谢宏潮.金错合金在电子工业中的应用[J].
贵金属，2007,28(1):63〜66
[13]王刘珏，薛松柏，刘啥，等.电子封装用Au-20Sn钎料研
究进展[J].材料导报,2019,38(15):2483〜2489
[14]HongWen Zhang,Ning-Cheng Lee.High reliability high
melting mixed lead-free BiAgX solder paste system[J].35th IEEE/CPMT International Electronics Manufacturing Technology Conference(IEMT),2012,(1):1-7,Ipoh,Malaysia [15]Anton Zoran Mine,Angela Grusd.Lead-free alloys[J].
Soldering&Surface Mount Technology,1998,10/1：19~25
收稿日期：2020-1009
审稿：刘晓刚
编辑：吴彩霞
%编辑部声明《
为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已被CNKI中国期刊全文数据库及维普中文科技期刊数据库网络出版，其作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意文章收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将做适当处理。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议