低温焊锡研究1

Low-Temperature Solders

产品的表面封装处理低温焊接，在非严酷的温度条件下，从技术上来说是可行的。作为通用解决方案，单一合金不太适合。

by Zequn Mei, Helen A. Holder, and 支承辊Hubert A. Vander Plas

低温焊接已是HP电子组装发展中心的研究课题。此课题包括热冲击下降，分级焊，和消除铅的可能性。

热冲击下降：如果最大暴露温度降低，温度效应带来的损害也随之减少。在回流焊中，降低温度可以减少对元件的损害。目前，回流焊的最高温度为210︒C 到 230︒C。这个温度足够产生“爆米花”现象，也就是空气和水气在IC塑料壳里，当受热时，它们会膨胀，造成元件外壳的破裂的现象。

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“爆米花”现象的危害是直接和可监测的，但是其他的热感应损害会导致长期的问题，诸如印刷电路板的变形和IC的损害。这些损害在较低的峰值温度下也会产生。

分级焊：低熔点使得在单一电路板上进行多级回流处理成为现实。例如，常规的可以耐高温的元件可以按正常回流焊程序焊在电路板上，然后用另一种回流焊程序把低温元件补焊在电路板上。正因为分级焊接可以批量处理，所以比起手工焊接，可以花很少时间，而且焊接也更一致。也不用也不需要不同的设备和特殊处理。

消除铅的可能性。现在很多低温焊锡可以无铅。

低熔点合金的选择

低于183︒C 高于 50︒C的熔点我们称之为焊锡的低温熔点。大多数符合这一要求的合金都是由以下四种成份组成：Sn (tin), Pb (lead), Bi (bismuth) 和In（Indium）。镉有毒，不在考虑范围之类。由上述四种成份组成的合金的熔点范围在50︒C 至 183︒C 。市面上可见的低温熔点焊锡列于Table 1. 数字表示该元素在合金中的重量百分比。

为了更好地理解合金成份和他们熔点温度关系，我们可以用熔点温度的三角图来加以说明。这种图用三角形表示三种元素的化学成分。物理特性，如熔点温度，标示在三角形上，Fig. 1. 表示合金的组成成份的各种排列（BiPbSn, BiInSn, InPbSn, and BiInPb）与熔点在三元系统图中的关系

这些图所示的是液相温度。一种典型的合金熔点不是在一个点上，而是在一个范围内。当合金是固体时，固相温度是最高的温度。而合金是液体时，液相温度是最低温度。而温度处于固相和液相之间时，合金是固体和液体的混合体。在图表（Table 1）中没有显示固相温度，然而在图表中标有“e“或者“E”，它表示低共熔点合金，也就是液相和固相温度相同。低共熔点合金或液相和固相温度稍有点差别的合金应用方法差不多，因为它们在一个温度范围内镕化和固化都非常快。

并不是所有的在三角系统中表明的成分的低温熔点合金都适合焊接。为了表明哪种最适合，请看表1（Table 1）

.可浸润性/扩散（Wettability）.一种金属如果能在表面形成一种良好的合金属，它就具有表面可浸润性。在焊接中浸润性是很重要的，因为它保证了焊接点不会从焊接界面脱开。任

何新的低温合金都必须能够在普通的母材上形成扩散（例如铜, 锡铅, 以及镍镀钯或者金）。

.可靠性。低温熔点合金应该可靠，所以我们衡量一种合金的焊接点是否可靠的性能有以下方面：切变强度（Shear），蠕变强度（Creep），等温抗疲劳强度（isothermal fatigue resistance），热疲劳强度(thermal fatigue resistance)。

.长期稳定性。随着时间的流逝，因为微结构变化，晶粒生长和再结晶便使得低温焊点的机械性能会发生变化，因此，我们要确保这些变化是缓慢和稳定的，不能使焊点的机械性能达到不能接受的程度。

.实用性。合金在量产时应该价廉且可以大量采购得到，也能做成焊锡膏，而且要有相应的助焊剂可以配合使用。比现在使用的合金要低毒。

为了开始我们对合金的选择和评价，我们在文献中到了能满足要求的低温熔点合金。这些合金可以选来进一步评估：

. 43Sn43Pb14Bi. 固相温度：144︒C 液相温度： 163︒C, 比配方63Sn37Pb低20︒C, 但

机械性能差不多。

. 58Bi42Sn. 是共熔合金，熔点温度是139︒C.无铅，而且牢固，但易碎。而且它的抗疲劳强度也是个问题。

.40Sn40In20Pb. 固相温度： 121︒C液相温度：130︒C.比较软且有延展性。没有易碎的问题当焊厚的金的表面时，例如锡铅，因为铟含量高。但是价格过高。

这三种配方被选出来，是因为能得到关于它们的大量资料。

因为低温合金的技术资料比较有限和不确定性，我们做了一系列试验根据下列所选的标准：

Table I

低熔点合金

金属规整填料

化学成分	液相温度 (︒C)	固相温度 (︒C)	化学成分	液相温度 (︒C)	固相温度 (︒C)
49Bi21In18Pb12Sn	58	58	34Pb34Sn32Bi	133	96
51In32.5Bi16.5Sn	60	60	56.84Bi41.16Sn2Pb	133	128
49Bi18Pb18In15Sn	69	58	38.41Bi30.77Pb30.77Sn0.05Ag	135	96
66.3In33.7Bi	72	72	57.42Bi41.58Sn1Pb	135	135
57Bi26In17Sn	79	79	36Bi32Pb31Sn1Ag	136	95
54.02Bi29.68In16.3Sn	81	81	55.1Bi39.9Sn5Pb	136	121
51.45Bi31.35Pb15.2Sn2In	93	87	36.5Bi31.75Pb31.75Sn	137	95
52Bi31.7Pb15.3Sn1In	94	90	43Pb28.5Bi28.5Sn	137	96
52.5Bi32Pb15.5Sn	95	95	58Bi42Sn	138	138
52Bi32Pb16Sn	95.5	95	38.4Pb30.8Bi30.8Sn	139	96
52Bi30Pb18Sn	96	96	33.33Bi33.34Pb33.33Sn	143	96
50Bi31Pb19Sn	99	93	97In3Ag	143	143
50Bi28Pb22Sn	100	100	58Sn42In	145	118
46Bi34Sn20Pb	100	100	80In15Pb5Ag	149	142
50Bi25Pb25Sn	115	95	99.3In0.7Ga	150	150
56Bi22Pb22Sn	104	95	95In5Bi	150	125
50Bi30Pb20Sn	104	95	42Pb37Sn21Bi	152	120
52.2Bi37.8Pb10Sn	105	98	99.4In0.6Ga	152	152
45Bi35Pb20Sn	107	96	99.6In0.4Ga	153	153
46Bi34Pb20Sn	108	95	99.5In0.5Ga	154	154
低通滤波器设计54.5Bi39.5Pb6Sn	108	108	100In	156.7	156.7
67Bi33In	109	109	54.55Pb45.45Bi	160	122
51.6Bi41.4Pb7Sn	112	98	70Sn18Pb12In	162	162
52.98Bi42.49Pb4.53Sn	117	103	48Sn36Pb16Bi	162	140
52In48Sn	118	118	43Pb43Sn14Bi	163	144
53.75Bi43.1Pb3.15Sn	119	108arm7开发板	50Sn40Pb10Bi	167	120
55Bi44Pb1Sn	120	117	51.5Pb27Sn21.5Bi	170	131
55Bi44Pb1In	121	120	60Sn40Bi	170	138
不锈钢旗杆制作 55.5Bi44.5Pb	124	124	50Pb27Sn20Bi	173	130
50In50Sn	125	118	70In30Pb	175	165
58Bi42Pb	126	124	47.47Pb39.93Sn12.6Bi	176	146
38Pb37Bi25Sn	127	93	62.5Sn36.1Pb1.4Ag	179	179
51.6Bi37.4Sn6In5Pb	129	95	60Sn25.5Bi14.5Pb	180	96
40In40Sn20Pb	130	121	37.5Pb37.5Sn25In	181	134
52Sn48In	131	118

浸润/扩散（Wetting）和可焊性（Solderability）

对这些合金进行两种测试来验证浸润/扩散（wetting）：延展性和浸润平衡测试（wetting balance）

延展性

在延展性测试中，一团焊锡膏被放在铜板或测试板上。然后把测试板加热到超过合金在氮气炉的液相温度的30度。焊锡膏熔化，当助焊剂一旦活化足够，合金金属氧化表面会发生变化，焊锡会形成小水珠，或帽状。见下图。水珠的直径和高度可以测量，然后可以确定焊锡与板之间的接触角度（α）。这个接触角度或浸润角度，是度量焊锡在表面处理时的湿润的值---这个值越小越好。

Fig. 2. α是浸润角度，焊锡合金在铜板通过回流焊形成的

Fig. 3. 浸润角度,取决于焊锡膏的在铜板上，在充氮回流焊接炉的延展性测试。X轴表示焊锡合金和回流温度。助焊剂用柱形顶端字母表示。

(WC =水洗, NC =免清洗焊剂, RMA = 松香激活).

润湿角s (degrees)

10 RMA

WC RMA

NC1

NC2

RMA

150 to NC

200 C

RMA

RMA NC1

NC2

63Sn 37Pb

150 C to 220 C

43Sn 43Pb 14Bi

150 C to 190 C

58Bi 42Sn

135 C to 170 C

40Sn 40In 20Pb

130 C to 170 C

影响延展性的因素有助焊剂的活性，熔化合金的表面张力和合金与母材金属表面的合金结合力。当要诠释延展性的测试结果时，上面三因素都要考虑。

∙ Fig. 3表明润湿角测试结果。63Sn37Pb 和43Sn43Pb14Bi润湿性比较好，且可用相近的焊剂。58Bi42Sn 和40Sn40In20Pb合金在铜表面的润湿角小于90度，但相比前两个不太好，

约两倍或3倍，在相同的助焊剂下。在所有使用免清洗焊剂情况下，40Sn40In20Pb合金的润湿性不好，这可能与铟和铋氧化物比锡铅氧化物比较难去除有关。而且它的表面张力比Pb Sn低。

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