转帖：各种无铅焊料的对比
（这是发于2004年《表面贴装技术》杂志第四辑的一篇文章节选，原文题目是《关注无铅化进程--无铅焊料的试用实例》，时隔多年，偶然翻出这篇文章，发现对当今无铅焊料的推广可能仍会有一定的帮助，遂整理一下，节选比较有意义的部分发上来，仅供HOME里的朋友们参考使用。因为该文章中还有实验的具体数据和当时的现场记录以及事后中南大学的焊点剖析等检测报告（十分具有参考价值），正在整理当中，完成后会把这篇文章补齐发上来，有需要的朋友请关注此贴！）
一、各种无铅焊料的对比
2001年底，我曾在某专业杂志上发表一篇题为《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》的文章，在这篇文章的第二节“软钎焊行业对无铅焊料的要求”中，结合当时的市场情况，对未来推广的无铅焊料提出了十点要求，这十点要求是：
1、无铅焊料的熔点要低，尽可能地接近63/37锡铅合金的共晶温度183度，如果新产品的共晶温度只高出183度几度应该不是很大问题，但目前尚没有能够真正推广的，并符合焊接要求的此类无铅焊料；另外，在开发出有较低共晶温度的无铅焊料以前，应尽量把无铅焊料的熔融间隔温差降下来，即尽量减小其固相线与液相线之间的温度区间，固相线温度最小为150度，液相线温度视具体应用而定(波峰焊用锡条：265度以下；锡丝：375度以下；SMT用焊锡膏：250度以下，通常要求回流焊温度应该低于225-230度)。
2、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，以保证优质的焊接效果；
3、焊接后的导电及导热率都要与63/37锡铅合金焊料相接近；
4、焊点的抗拉强度、韧性、延展性及抗蠕变性能都要与锡铅合金的性能相差不多；
5、成本尽可能的降低；目前，能控制在锡铅合金的1.5-2倍，是比较理想的价位；
6、所开发的无铅焊料在使用过程中，与线路板的铜基、或线路板所镀的无铅焊料、以及元器件管脚或其表面的无铅焊料及其它金属镀层间，有良好的钎合性能；
7、新开发的无铅焊料尽量与各类助焊剂相匹配，并且兼容性要尽可能的强；既能够在活性松香树脂型助焊剂（RA）的支持下工作，也能够适用温和型、弱活性松香焊剂（RMA）或不含松香树脂的免清洗助焊剂才是以后的发展趋势；
8、焊接后对焊点的检验、返修要容易；
9、所选用原材料能够满足长期的充分供应；
10、与目前所用的设备工艺相兼容，在不更换设备的状况下可以工作。
2001年以来，市场上推出的无铅焊料品种很多，目前还没有一种无铅焊料能取得业界广泛的认可，经过近三年的实验室试验及客户实地试验，结合无铅焊料推广的十大要求，2003年年底我们推出了一种市场前景好、较具有推广意义的无铅焊料合金（本公司标号为JW-12），这种无铅焊料是以“锡（Sn）、铜（Cu）、镍（Ni）”为主的三元合金，另外添加了微量的稀土元素。这种无铅焊料基本能够满足以上十点要求中大部分要求，在长期的实践中，我们选择了三至四种不同的无铅焊料与之作了大量的对比，参与对照实验的无铅焊料是“JW-4（Sn-Cu）、JW-8（Sn-3.0Ag-0.5Cu）、JW-9（Sn-0.3Ag-0.7Cu）、JW-11（Sn-0.5Ag-0.7Cu-1.0Bi-0.07Ni）”；JW-12这款无铅焊料的推出备受业界的关注，并先后在多家知名电子企业做了批量生产试验，在批量试验前，由“中南大学材料科学与工程学院理化实验室（教育部重点实验室/湖南省重点实验室）”对以上几种无铅焊料做出了相关参数的对比数据，并出据了相关的检测报告。现将其主要参数的测试方法及结果摘录如下：
1、熔融温度测定：（样品状态：挤压态；测试条件：升温速率10度/min）
合金标号 JW-4 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
固相线温度TS/度 223.2 218.7 225.2 221.7 229.7
液相线温度T1/度 230.1 222.7 231.4 228.3 232.5
从上表中可以看出：
JW-4固液相线之间的温差为6.9度；
JW-8固液相线之间的温差为4.0度；
JW-9固液相线之间的温差为6.2度；
JW-11固液相线之间的温差为6.6度；
JW-12固液相线之间的温差为2.8度。
结合上述“无铅焊料推广的十点要求”的第一点来讲，在没有找到共晶的无铅焊料合金时，我们要求新焊料的固液相线之间的温差应尽量的小，固液相线之间温差越小，越有利于焊接时焊点的形成，对焊点结构也能起到较明显的改善；显然在上述焊料的对比中，固液相线之间的温差只有2.8度的“JW-12”是比较理想的。
2、电阻率：（测试方法：开尔文直流双臂电桥法；样品状态：挤压态；样品标距：100mm；电压：220V；电流：1.5A；室试验温度：室温；）
合金标号 JW-4 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
电阻率ρ平均/Ω.m.10-6 0.1274 0.1514 0.1422 0.1458 0.1409
在对相关无铅焊料合金作电阻率测试的结果中，我们可以看出，除“JW-4”的电阻率为0.1274Ω.m.10-6 外，就是“JW-12”的电阻率比较低为0.1409Ω.m.10-6，这表明“JW-12”的电性能在相关无铅焊料中还是比较优秀的。
3、拉伸性能实验：（测试方法及参照标准：GB228-87《金属拉伸试验方法》；样品状态：挤压态；样品标距：50mm；拉伸速度：V=2mm/min）
合金标号 Sn63Pb37 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
抗拉强度σb/0C 22.8 59.7 34.9 52.3 35.1
延伸率δ/% 175.4 34.2 34.1 35.7 28.7
4、钎焊接头强度实验（试板钎焊样品及参照标准：按GB11363-89执行；测试方法：钎焊剪切强度σ=P/A，式中P——接头破坏载荷，A——钎焊面积；拉伸速度：V=2mm/min；试验温度：室温）
合金标号 JW-4 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
剪切强度σb/MPa 19.5 20.8 20.2 ---- 19.9
5、润湿性能测定（采用焊料铺展面积测定方法，并取与Sn63Pb37焊料比较值作为评定参考值。）
合金标号 Sn63Pb37 JW-4 JW-8 JW-9 JW-12
铺展面积比/% 100 85.6 88.4 120.6 108.3
在以上3至5项的测试中，“JW-12”和其它的无铅焊料一样表现出了较为优秀的特性，从理论上支持了以上几种无铅焊料实际推广与应用的可行性。
一、各种无铅焊料的对比
2001年底，我曾在某专业杂志上发表一篇题为《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》的文章，在这篇文章的第二节“软钎焊行业对无铅焊料的要求”中，结合当时的市场情况，对未来推广的无铅焊料提出了十点要求，这十点要求是：
1、无铅焊料的熔点要低，尽可能地接近63/37锡铅合金的共晶温度183度，如果新产品的共晶温度只高出183度几度应该不是很大问题，但目前尚没有能够真正推广的，并符合焊接要求的此类无铅焊料；另外，在开发出有较低共晶温度的无铅焊料以前，应尽量把无铅焊料的熔融间隔温差降下来，即尽量减小其固相线与液相线之间的温度区间，固相线温度最小为150度，液相线温度视具体应用而定(波峰焊用锡条：265度以下；锡丝：375度以下；SMT用焊锡膏：250度以下，通常要求回流焊温度应该低于225-230度)。
2、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，以保证优质的焊接效果；
3、焊接后的导电及导热率都要与63/37锡铅合金焊料相接近；
4、焊点的抗拉强度、韧性、延展性及抗蠕变性能都要与锡铅合金的性能相差不多；
5、成本尽可能的降低；目前，能控制在锡铅合金的1.5-2倍，是比较理想的价位；
6、所开发的无铅焊料在使用过程中，与线路板的铜基、或线路板所镀的无铅焊料、以及元器件管脚或其表面的无铅焊料及其它金属镀层间，有良好的钎合性能；
7、新开发的无铅焊料尽量与各类助焊剂相匹配，并且兼容性要尽可能的强；既能够在活性松香树脂型助焊剂（RA）的支持下工作，也能够适用温和型、弱活性松香焊剂（RMA）或不含松香树脂的免清洗助焊剂才是以后的发展趋势；
8、焊接后对焊点的检验、返修要容易；
9、所选用原材料能够满足长期的充分供应；
10、与目前所用的设备工艺相兼容，在不更换设备的状况下可以工作。
2001年以来，市场上推出的无铅焊料品种很多，目前还没有一种无铅焊料能取得业界广泛的认可，经过近三年的实验室试验及客户实地试验，结合无铅焊料推广的十大要求，2003年年底我们推出了一种市场前景好、较具有推广意义的无铅焊料合金（本公司标号为JW-12），这种无铅焊料是以“锡（Sn）、铜（Cu）、镍（Ni）”为主的三元合金，另外添加了微量的稀土元素。这种无铅焊料基本能够满足以上十点要求中大部分要求，在长期的实践中，我们选择了三至四种不同的无铅焊料与之作了大量的对比，参与对照实验的无铅焊料是“JW-4（Sn-Cu）、JW-8（Sn-3.0Ag-0.5Cu）、JW-9（Sn-0.3Ag-0.7Cu）、JW-11（Sn-0.5Ag-0.7Cu-1.0Bi-0.07Ni）”；JW-12这款无铅焊料的推出备受业界的关注，并先后在多家知名电子企业做了批量生产试验，在批量试验前，由“中南大学材料科学与工程学院理化实验室（教育部重点实验室/湖南省重点实验室）”对以上几种无铅焊料做出了相关参数的对比数据，并出据了相关的检测报告。现将其主要参数的测试方法及结果摘录如下：
1、熔融温度测定：（样品状态：挤压态；测试条件：升温速率10度/min）
合金标号 JW-4 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
固相线温度TS/度 223.2 218.7 225.2 221.7 229.7
液相线温度T1/度 230.1 222.7 231.4 228.3 232.5
从上表中可以看出：
JW-4固液相线之间的温差为6.9度；
JW-8固液相线之间的温差为4.0度；
JW-9固液相线之间的温差为6.2度；
JW-11固液相线之间的温差为6.6度；
JW-12固液相线之间的温差为2.8度。
结合上述“无铅焊料推广的十点要求”的第一点来讲，在没有找到共晶的无铅焊料合金时，我们要求新焊料的固液相线之间的温差应尽量的小，固液相线之间温差越小，越有利于焊接时焊点的形成，对焊点结构也能起到较明显的改善；显然在上述焊料的对比中，固液相线之间的温差只有2.8度的“JW-12”是比较理想的。
2、电阻率：（测试方法：开尔文直流双臂电桥法；样品状态：挤压态；样品标距：100mm；电压：220V；电流：1.5A；室试验温度：室温；）
合金标号 JW-4 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
电阻率ρ平均/Ω.m.10-6 0.1274 0.1514 0.1422 0.1458 0.1409
在对相关无铅焊料合金作电阻率测试的结果中，我们可以看出，除“JW-4”的电阻率为0.1274Ω.m.10-6 外，就是“JW-12”的电阻率比较低为0.1409Ω.m.10-6，这表明“JW-12”的电性能在相关无铅焊料中还是比较优秀的。
3、拉伸性能实验：（测试方法及参照标准：GB228-87《金属拉伸试验方法》；样品状态：挤压态；样品标距：50mm；拉伸速度：V=2mm/min）
合金标号 Sn63Pb37 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
抗拉强度σb/0C 22.8 59.7 34.9 52.3 35.1
延伸率δ/% 175.4 34.2 34.1 35.7 28.7
4、钎焊接头强度实验（试板钎焊样品及参照标准：按GB11363-89执行；测试方法：钎焊剪切强度σ=P/A，式中P——接头破坏载荷，A——钎焊面积；拉伸速度：V=2mm/min；试验温度：室温）
合金标号 JW-4 JW-8 JW-9 JW-11 JW-12
剪切强度σb/MPa 19.5 20.8 20.2 ---- 19.9
5、润湿性能测定（采用焊料铺展面积测定方法，并取与Sn63Pb37焊料比较值作为评定参考值。）
合金标号 Sn63Pb37 JW-4 JW-8 JW-9 JW-12
铺展面积比/% 100 85.6 88.4 120.6 108.3
在以上3至5项的测试中，“JW-12”和其它的无铅焊料一样表现出了较为优秀的特性，从理论上支持了以上几种无铅焊料实际推广与应用的可行性。
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王国真84 (威望:2) (广东 东莞) 计算机相关 经理 - 200 字节以内<br /&...
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现场试验后，客户立即组织品控人员对本次试验产品进行了目测及相关电性能检测，第三次试验中的产品全部通过检测。
此时客户提出了对焊点进行剖析的要求，为协助客户完成此工作，我们从客户处取回试验的产品2Pcs，并以最快的速度送到与我公司协作的“中南大学材料科学与工程学院理化实验室（教育部重点实验室/湖南省重点实验室）”进行焊点的剖析并作金相分析。现将本次分析报告及金相图片摘录如下：
1、送样单位: XXXXXX焊料有限公司
2、样品名称: JW-12PCB钎焊电子板
3、检测项目: PCB电子板焊点质量分析
4、检测方法: 金相分析法
5、取样及样品制备方法（Cutting and preparation of samples）
从PCB钎焊电子板上任选定四个电子元件，并连同基板锯下，沿基板垂直截面截取样品，按金相样品要求制备金相样品。在金相显微镜上观察分析焊接界面的焊接情况，并拍摄相应部位金相照片。
6、分析结果（Analysis results）
显示钎焊界面结合状态的典型金相组织照片见副页中的图1所示。比较图1中的组织可知，钎焊组织均由细小初晶相+共晶组成，在整个截面内，组织分布均匀；钎焊接头各界面结合情况（包括焊料/电子元件铜引线、焊料/镀层电子元件基板）良好；并显示出焊料具有较好的填缝能力。
7、结论（Conclusion）：钎焊接头各界面结合状态和焊料填缝性能良好。
通过对“JW-12”无铅焊料焊点金相图（上图1、2）的分析，并请相关焊接专家进行鉴定，得出最后结论：此种无铅焊料（Sn-Cu-Ni）各个方面的性能都能达到焊接的相关要求，较具有推广应用的价值！
四、Sn-Cu-Ni无铅焊料推广的实际意义
第一，Sn-Cu-Ni无铅焊料的工艺参数与有铅焊料相差不大，极易被使用者接受与掌握易于推广；
第二，此种无铅焊料相对含银无铅焊料来讲，成本较低，易于被使用者接受，并有利于以后大规模的推广与应用；
第三，与含银的或其他无铅焊料相比，此种无铅焊料焊点外观光亮，成型好，可达到有铅焊料Sn60/Pb40的效果，易于被使用者接受；
第四，此种无铅焊料已通过实际小规模试验，以及专业的测评，为以后的推广与导入提供了可寻的依据，节省了大量的前期论证时间，避免了许多不必要的麻烦。
软钎焊行业无铅化的钟声早已敲响，冲锋的号角又将吹起，无铅化的脚步日益加快；今天，我们落后于人，明天，能否为别人领跑？在这次无铅化的浪潮中，我们期望着能为中国的无铅化事业一尽绵薄之力，谨以此文献给有所需要的同仁，如果对您有所帮助，我心可慰！