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3．1 无铅焊料的组织分类 按已采用的几种候补合金，无铅焊料(包含波峰焊用、回流焊用、基板修正用等)可分为以下四个类型。 (1)Sn—Ag系 (2)Sn—Bi系 (3)Sn—Zn系 (4)Sn—Cu系 实际上，二元系合金要成为能满足各种特性的基本焊料是不完善的，例Sn—Ag合金添加百分之一以下或百分之几的Bi和Cu，组成多元化形式的无铅焊料。但是，大体上焊料合金组织不会受添加元素的影响，反映出基本的二元系组织。 下面对代表性的无铅焊料组织特征进行归纳，但是对数据不足的Sn—Cu系合金，其Cu量由0．7wt％组成共晶，组织形式为Sn／Cu6Sm共晶，微量的Cu不能明显地观察其组织成分，本节暂时省略。 3．2 Sn—Ag系合金的组织成分 Sn—Ag系焊料，作为高熔点焊料已经开始以无铅焊料角色进入实用阶段，特别是其固有的微细组织、优良的机械特性和使用的可靠性，成为明显的替代合金焊料为用户接受。图3．1是Sn—Ag二元合金的状态图和合金组织的SEM照片，照片上白色的微粒子为Ag3Sn，该合金Ag量在3．5wt％时形成共晶点。在这个Ag量组成以下的成为亚共晶，组成以上的成为过共晶，在照片上已充分地说明了其组织特征。这个合金组织表示了1●Lm以下的细密Ag3Sn在Sn矩阵型基体中呈分散状的分散强化合金，由图3．1的照片可以看到Ag3Sn的粒子。照片只是一个截面组织，实际上具有相当长的纤维状。 图3．2是Ag3Sn示分散状态下的TEM照片，AS3Sn具有Sn母相及其特定的方位关系，两者界面有良好的结晶匹配性，Ag3Sn在数DAm大小的环上分散，环内部大体上保持无结晶的形态，晶粒直径同其他焊料相同为数拾lLm大小，各个环状并不表示晶界，但是环状的形成会阻碍Ag3Sn的变位，可以说形成了一种亚晶界。 Sn—Ag系合金具有优良的机械特性，Ag，Sn的微细分散状和亚晶界的形成，从组成的Sn—AR二元系合金状态图上。可想象出能得到均匀的Ag3Sn结晶(共晶)。现实中对这种环状分散状态的组织不能预测，这时有必要对其形成的机理进行研究，一个是要考虑A臣Sn／矩阵间晶格变形的缓和结构，另一个是由于不纯物的存在所生存核的不均匀性影响。作为纯度高的金属基材，最好要认可Ag3Sn分散形态的变化关系，Sn中的Ag大致上不固溶，Ag3Sn作为稳定性好的化合物，Ag对Sn中的固溶是不存在的，一旦Ag3Sn已形成，高温放置时也不易粗化，是一种耐热性好的焊料。  合金中随着Ag量的增加，表示Ag3Sn组织结构的环的尺寸呈细微的分散状态，合金强度逐步上升至组成共晶时，也就是Ag量在3．5％时强度可达到最高，其组织与细微化相对应。但是Ag达到4％形成过共晶状，就会出现明显的劣化，产生数拾，Am大小的粗化Ag3Sn板状初晶(结晶)见图3．30不管哪一种合金，如生成数拾，lm的金属化合物，将会引人尺寸面的龟裂，对有可靠性要求的合金来说是必须避免的。这也说明，焊料合金的组成，应该避免粗化脆性初晶的生成。 
在Sn—Ag合金添加Bi、Cu、Zn等合金元素的场合，仍可维持基本的Ag3Sn细微分散组织。(见图3．4)，例Sn—2Ag—7．5Bi—0．5Cu组织，可看到较大的Bi结晶，对Ag3Sn的形成无变化，但如添加第三元素时，其组织亦会细微化。 分析界面组织，一般Sn系焊料／Cu界面，从Cu一侧会形成层状Cu3Sn／Cu6Sn5，Sn—Ag系焊料／Cu也不例外，形成相同的反应层结构(见图3．5的a)，Cu3Sn比较簿，且Cu和Cu3Sn的界面较为平坦。而Cu6Sn5较厚，在焊料一侧会形成许多突起。图3．5的照片是在试验室条件下制成的，在进入实际回流焊时所得到的结果应该是相同的。焊料接合的拉伸试验，从图3．5的b看到其龟裂发生在半岛状突出的Cu6Sn5根部，龟裂展示在顶端附近，因此，在高强度化应力集中的界面不希望产生凹凸不平现象，最好是形成平坦的界面。 
基板组装时，由于热疲劳等因素所产生的龟裂，其应力集中的场所，对焊料弯月面、引线、基板焊区、元件材质与形状等的差异是不同的，大多数界面发生龟裂的原点是不限定的，其中在界面形成的反应层(特别是．Cu6Sn5)是主要因素。Sn—Ag系焊料焊接后在界面会形成厚的Cu6S5，向固相状态反应时也会生成厚的CmSn。 Sn—Ag系合金添加Cu时，共晶点的改变Ag量约为4．7％，Cu量约在，1．7％时产生共晶，例Jh—3．5％Ag—0．7％Cu共晶，还存在未理解之处。这种合金如添加Zn，将会造成在提高合金细微化强度和蠕变特性的同时，焊料表面易形成坚固的氧化膜，使润湿性大大降低。 Sn—Zn的合金化将会发生急剧的界面反应相，可合理地利用反应控制来加以改变，这将在后面进行解说。 |
