1.3 锡铅钎料介绍

钎料是易熔金属，在焊接过程中，钎料在母材表面形成合金，将连接点连在一起，钎料的性能在很大程度上决定了焊接接头的质量，为了使钎料能够满足焊接要求，钎料金属必须满足以下要求：

（1）钎料必须由与母材金属不同的金属组成，钎料的熔点要比母材金属的熔点低，熔化温度合适，一般钎料的熔点应该至少低于母材金属熔点几十度以上。

（2）钎料在熔化温度时必须能很好地润湿母材金属，要具有良好的流动性，同时与母材金属之间要有良好的扩散能力和溶解能力，能很好地填充焊缝间隙，获得牢固的接头。

（3）钎料组成成分要稳定、均匀，不应有对母材有害的元素存在。

（4）钎料的热膨胀系数应与焊件金属接近，从而避免焊缝产生裂纹，钎料还应不易被氧化，满足焊接接头性质的要求。

钎料从温度上可以分为硬钎料和软钎料。

1.3.1 软钎料

软钎料的熔点在450℃以下，主要是以锡、铅、铋、镉、锌为基本原料的合金。软钎料特点是熔点低、塑性好、抗疲劳性能好、强度低。软钎料对应软焊接，主要用于焊接强度要求不高，工作温度不高的焊件，如焊接钢、铜、铝等及其合金。软钎料的熔化温度范围如图1-9所示。

常用软钎料有锡铅钎料，低熔点软钎料，耐热软钎料等，在电子产品焊接中主要采用锡铅钎料，下面对锡铅钎料做具体介绍。

1.锡铅钎料

了解锡铅钎料首先要了解锡和铅的温度特性，纯锡是一种质软的金属，高于13.2℃时是银白色金属，低于13.2℃时是灰色金属，低于-40℃时变成粉末状，熔点是232℃；常温下抗氧化性强，并且容易同多数金属形成金属化合物；纯锡质脆，低温时机械性能差。纯铅是一种浅青白色软金属，熔点是327℃，塑性好，有较高的抗氧化性和抗腐蚀性；铅属于对人体有害的重金属，在人体中积蓄能引起铅中毒；铅的机械性能也很差。

锡铅两种金属各有各的优缺点，但是锡铅合金却具备了两者都不具有的优点，而且两者合金的熔点温度与两种金属在合金中所占的比例有关，比例不同，熔点不同，性能也随之变化。

焊接过程中锡与母材金属形成合金，但是铅在任何情况下几乎都不起反应，那么为什么还要加入铅呢？这是因为加入铅之后可以获得锡和铅都不具有的优良特性，有利于焊接操作，其特点如下：

（1）加入铅之后可以降低熔点。纯锡的熔点是232℃，铅的熔点是327℃，而锡铅钎料的熔点是183℃（锡占63%，铅占37%时）。

（2）可以改善机械特性。锡铅钎料的抗拉强度及剪切强度都比两者单独时要大很多，使得机械特性得到改善。

（3）可以降低界面张力。界面张力降低，钎料的润湿性能就相应得到改善，增加了流动性；表面张力和黏度的关系见表1-1。

（4）增加了钎料的抗氧化能力，减少了氧化量。

（5）节约成本。锡是很贵的金属，但是铅却很便宜，加入铅之后可以降低钎料的价格，节约成本。

锡铅含量不同，锡铅钎料的物理特性则不同，不同锡铅含量的钎料物理特性见表1-2。

锡铅钎料随着锡和铅的配比和温度变化，其固相、液相等金属状态也随之发生变化，这种变化的关系图就是相图，也叫状态图。锡铅钎料的状态图如图1-10所示。

在详细介绍状态图之前先了解几个概念：共晶反应是一种液相在恒温下同时结晶出两种不同成分和不同晶体结构的反应，发生共晶反应的这一点就是共晶点，反应所生成的两种固相机械地混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织，统称为共晶体。把以铅为溶剂，锡为溶质时，即锡溶于铅中形成的固溶体称为α固溶体；以锡为溶剂，铅为溶质，即铅溶于锡中形成的固溶体称为β固溶体。

如图1-10所示，a点是铅的熔点，温度为327℃，c点是锡的熔点，温度为232℃，b点是共晶点。共晶点时b点合金的熔点和凝固点相同，此时的锡铅比重为锡占62.7%、铅占37.3%，该点合金熔点、凝固点均为183℃，这种比例的合金熔点低，结晶间隔短，流动性好，机械强度高。如图1-10所示有三个单相区分别为α相、β相、L相，其中L相是具有共晶成分的液体，是熔化的钎料液体，在共晶点发生共晶反应时这三相是共存的；有三个双相区：α+L相、β+L相、α+β相。其中，a、b、c为液相线，也叫液相温度线或者是初晶线，不管合金的配比如何，在该液相线以上部分均为熔化的液体。其中adbec线为固相线，在固相线和液相线之间的部分为半熔化状态的钎料。在固相线adbec以下的钎料为固体。dbe水平线是固相线，也称为共晶反应线，成分在de之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应，df线为α固溶体的溶解度线，eg线为β固溶体的溶解度线。

锡铅钎料的相图是以共晶型转变为主要结晶方式的相图，在靠近组元两端各有一个有限固溶的均晶型结晶区域。α固溶体的最大溶解度在d点；β固溶体的最大溶解度在e点。固溶体α和固溶体β相交在共晶点d，在共晶点处成分比例的合金当冷却到该点所对应的温度即共晶温度时，共同结晶出d点成分的α固溶体和在e点成分的β固溶体。发生共晶反应时有三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行。从图1-10中我们可以看到，当熔化的钎料从液体状态的温度下降到液相线以下、固相线以上的温度区域时，熔化的钎料开始凝固，该区间的钎料处于半熔化状态，当下降到固相线时完全凝固。反过来，当把固体钎料缓缓加热时，钎料首先从固相线以下慢慢过渡到固相线以上，从固体状态进入半熔化状态，然后温度继续上升，当到达液相线的温度时，钎料完全熔化。这就是钎料从固体到液体，又从液体到固体的变化过程。

下面详细介绍冷却时钎料组成不同的几种情况。

（1）钎料含锡量低于19.5%。如图1-11所示，当含锡量低于19.5%时，即在S₀~S₁范围内，设该范围内有含锡量为S₀₁的钎料，当温度高于t₁₁时，该钎料处于熔化状态，降低温度，当温度到达t₁₁时，即温度到达液相线上时开始析出α固溶体，此时的钎料状态为半熔化状态，继续降温，当温度到达固相线上一点温度t₁₂时，完全凝固，此时得到均一的α固溶体组织，继续降温，当温度到达α固溶线下限df上一点温度t₁₃时，在另一端开始析出β固溶体，从α相中析出的β固溶体降低了α相中锡的含量。从固态α相中析出的β相称为二次β，记做β_Ⅱ，这是二次结晶的结果。继续降温，β固溶体继续增加，其中α固溶体和β固溶体的析出浓度随df线变化，常温下为α固溶体和β固溶体两种形式。

（2）含锡量在19.5%~63%。如图1-11所示，当含锡量高于19.5%时，即在S₀₁~S₀₂范围内，设该范围内有含锡量为S₀₂的钎料，当温度高于t₂₁时钎料处于熔化状态，降低温度当温度到达t₂₁时，即到达液相线上一点时，开始析出初晶α固溶体。此时析出的钎料成分为α₁，随着温度下降到t₂₂、t₂₃，钎料中α固溶体成分变为α₂、α₃。另一方面，正在凝固的熔化的钎料成分变成L₁、L₂、L₃，可以看到，凝固的钎料成分是由初晶点向着d变化的，而熔化钎料的成分是由t₂₁向着d变化的。当到达共晶反应线上一点t₂₄时，析出α₄和β成分，此时钎料完全凝固，温度继续降低，低于共晶反应线的温度t₂₄时开始从α固溶体中析出β固溶体β_Ⅱ，常温钎料成分变成α_f和β_g。

（3）含锡量为63%时，如图1-11所示，含锡量为63%时的钎料，在温度高于t₃₁时，钎料处于熔化状态的，当温度降低到t₃₁时，即到达共晶点温度时同时析出α相和β相并且同时完全凝固。当温度继续下降到t₃₂时，凝固钎料的比例变为α₁相和β₁相，常温时为α_f和β_g。

（4）含锡量在63%~97.5%时，此时的变化状态与2中的变化状态过程相同。

（5）含锡量在97.5%~100%时，此时的变化状态与1中的变化状态过程相同。

由以上变化过程可以看到，在共晶点处比例的锡铅钎料性能是最好的，在电子产品的焊接中大都采用此种比例的锡铅钎料。

现在市场上有焊锡锭、焊锡球、焊锡丝、焊锡板、焊锡带等。在电子产品焊接中最常使用的是带有松香芯的焊锡丝，焊锡丝的直径在0.5~3.0mm之间，常用的有0.5mm、0.8mm、1.2mm、1.5mm、2.0mm等。在焊接过程中，我们根据实际焊接情况选择不同直径的焊锡丝，例如焊接一些IC芯片时，要求焊点较小，则应该选择直径较小的焊锡丝，如果焊盘较大，则应该选择直径较大的焊锡丝，具体选择直径多大的焊锡丝可以因个人的使用习惯进行调节。

2.各种杂质对钎料的影响

锡铅钎料的主要成分是锡和铅，但是其中还含有微量的金属杂质，这些金属杂质虽然含量很少，但是却会给钎料带来很多意想不到的影响，不同的杂质对钎料的影响不同，下面简单介绍一下各种杂质对钎料性能的影响。

锌（Zn）：钎料中锌的含量达到0.001%时影响就会表现出来，如果含量达到0.01%，焊点就会表现出多孔，表面晶粒粗大，钎料的流动性及润湿性会降低。所以锌是焊接中最忌讳的金属之一。

铝（Al）：钎料中的铝含量达到0.001%时影响就会表现出来，主要表现在结合力减弱，钎料的流动性、润湿性降低，而且容易发生氧化和腐蚀。

镉（Cd）：虽然钎料中的镉可以降低钎料的熔点，使钎料的熔化区变宽，但是如果含量超过0.001%，钎料晶粒就会变得粗大，而且钎料表面发白，失去光泽，钎料的流动性也会降低，钎料变脆。

锑（Sb）：钎料中锑的含量在0.3%~3%时，焊接时焊点成形非常好，含量在6%之内对钎料都不会造成不良影响，相反能使焊点的机械强度增加，改善钎料的性能。而且由于其可以增大钎料的蠕变阻力，使其可以用在高温钎料中。但是当钎料中锑的含量超过6%时，就会降低钎料的流动性和润湿性能，使钎料变脆，抗腐蚀性能也变弱。

铋（Bi）：钎料中的铋会使钎料熔点降低，变脆，冷却时焊点会产生裂纹。

砷（As）：钎料中即使含有很少的砷也会对钎料的性能产生影响，虽然能略微提高钎料的流动性，但是却会使钎料硬度和脆性都增大，而且焊点会形成水泡状、针状结晶，钎料表面变黑。

铁（Fe）：钎料中的铁会使钎料的熔点提高，使焊接操作变得困难，而且因为铁的自身特点还会使焊点带上磁性，影响电子产品性能。

铜（Cu）：钎料中的铜使钎料的熔点提高，增大结合强度，使钎料变脆，焊点形成粒状不易熔化合物。但是钎料中含有少量的铜（1%~2%）时可以抑制焊锡对铜烙铁头的熔蚀。

磷（P）：钎料中的磷含量小时可以增加钎料的流动性，但是含量大时会熔蚀铜烙铁头。

镍（Ni）：钎料中的镍会使钎料的焊接性能降低，使钎料变脆，形成水泡状结晶的焊点。

银（Ag）：钎料中的银含量在5%以下时会使钎料的耐热性增加，但是焊接时需要活性钎剂，适用于陶瓷的焊接。含量超过5%时容易产生气体。

金（Au）：钎料中的金会使钎料成白色，失去光泽，而且还会使钎料变脆。

3.低熔点软钎料

在焊接电子元器件的过程中，有些元器件遇热性能劣化严重，这就需要在焊接时降低焊接的温度，从而保证元器件的质量，这时就要用低熔点的钎料，低熔点钎料大多都是由铋、锡、铅、镉、铟等金属组成的，这类钎料的共同特点就是熔点低，但是与母材的结合力弱，接头强度很低。同锡铅钎料相比，高铋合金钎料很脆，铟基合金的润湿性较好，在碱中有较高的耐蚀性，含铋的钎料缺点是光泽差，而且非常脆。因此应该在充分考虑各种合金钎料的特点之后再选定所需要的钎料。

4.耐热软钎料

耐热软钎料主要包括锡锌、锡银、铅银、镉银、镉锌银等合金，在这里镉银的耐热性能最好，铅银钎料次之。

1.3.2 硬钎料

硬钎料的熔点在450℃以上。硬钎料熔点高，强度相对也比软钎料高。硬钎料常用火焰焊接，常用的钎料有铝基钎料、铜基钎料、银基钎料和镍基钎料。

1.3.3 钎料的编号

根据国标GB/T 6208—1995规定：钎料牌号中的第一部分为钎料代号，用B表示，牌号中的第二部分为主要组元的化学元素符号，第一个化学元素代表钎料的基础元素，其后数字表示该元素在钎料中的质量含量的百分比，其余组元的化学元素符号按质量含量的多少顺序排序，但是不标出它们的质量含量百分比。例如：

原机械电子工业部的钎料牌号编制方法：牌号前加“HL”表示钎料，牌号的第一位数字表示钎料的化学组成类型，第二位、第三位数字表示同一类型钎料的不同牌号。

GB/T 6208—1995中规定钎料型号中第一部分用一个大写字母表示钎料的类型，“S”表示软钎料，“B”表示硬钎料；钎料型号中的第二部分由主要合金组元的化学元素符号组成，这里第一个化学元素符号表示钎料的基本组元，其他化学元素符号按照其质量百分比顺序排列，当几种元素具有相同质量百分比时，按照其原子序数顺序排列。软钎料每个化学元素符号后都要标出其公称质量百分数，硬钎料仅第一个化学元素符号后标出公称重量的百分数，公称数量小于1%的元素在型号中一般不必标出，如果一定要标出时，软钎料型号中可仅标出其化学元素符号，硬钎料中将其化学符号用括号括起来，每个型号中最多只能标出六个化学元素符号，符号“E”标在第二部分之后来表示是电子行业用软钎料。例如，某种含锡60%、铅39%、锑0.4%的软钎料，型号表示为S-Sn60Pb40Sb，某种含锡63%、铅37%电子工业用软钎料，型号表示为S-Sn63Pb37E；某种硬钎料含银72%、铜28%，型号表示为B-Ag72Cu。

型号主要用于钎料的包装说明，并不强调一定要作为钎料本身的标志。

常用锡铅钎料牌号、成分、应用及物理化学性能见表1-3。