对于电子组装所用的软钎焊技术而言，从金属学的角度来讲，具备共晶

成分的钎料合金是钎焊性能最好的。如 Sn-Pb  系中最好用的是 Sn63Pb37  这

一共晶合金，Sn60Pb40         这一近共晶合金因为其成分比例计算简单也被
广泛 应用。二元无铅钎料中被广泛采用的 Sn0.7Cu 和 Sn3.5Ag 也都是具备共
晶成 分的合金。

       （1）Sn-Pb系

      Sn-Pb  钎料共晶成分为 Sn38.1Pb，熔点 183℃，见图 2-1，共晶组织为

有限固溶体的共晶状态，由面心立方 α(Pb)相和体心立方 β （Pb ）相组成。

共晶温度下 Sn 在 Pb  中的固溶度为 19.5%，Pb  在 Sn  中的固溶度为 2.5% ；

室温时 Sn 在 Pb  中的固溶度仅2-3 ％，Pb 在 Sn 中的固溶度仅为万分之几。

      Sn-Pb   共晶组织再结晶温度低于室温，因此不能产生冷作硬化，而表现

出明显的粘性特征。当 Sn-Pb  合金变形量增大时，可以促使 β(Pb)相析出，

使其强度降低，表现出变过形的 SnPb  合金的强度要比铸态时低。在较高温

度下（100～150℃），元素的扩散速度较快，此时的力学性能明显下降。

      Sn-Pb   共晶具有良好的流动性，而在固液相温度区间最大处的合金流动

性最差。软钎料合金的流动性是评价钎料工艺性能的重要指标之一，流动性

好的钎料具有优良的填缝性能，可以保证获得稳定、良好的钎缝质量。

      Sn-Pb   钎料对铜等多种母材金属均具有良好的润湿性及铺展能力，尤其

是共晶成分的钎料合金，在适当温度下其铺展面积明显增大，加上此成分的

钎料合金的表面张力小，流动性好，力学性能也十分优异。因此成为电子工

业中应用最为广泛的钎料合金。 

       （2 ）Sn-Bi 和 Sn-In 系

      表2-2为Sn-Bi和Sn-In合金基本特点，图2-2为Sn-Bi合金相图及组织，图

2-3为Sn-In合金相图及合金组织。在Sn-Bi钎料中添加适量的Ag ，可减少焊

点中孔洞的出现，改善钎料的钎焊性能，同时可提高Sn-Bi钎料的钎焊温

度，扩大Sn-Bi系的适用范围。 

                              表2-2 Sn-Bi和Sn-In合金基本特点

    合金系                        Sn-Bi                                   Sn-In

   共晶成分                      Sn58Bi                                  Sn51In

      熔点                        138℃                                  120℃

   共晶组织                                                            γ相＋β相

 

                  具有更好的抗拉强度、蠕变性能            较好的热疲劳性能和抗碱性腐蚀

                  和抗疲劳性能，配置成焊膏后具            性能，强度高，在 Cu       基上润湿

      优点

                  有良好的润湿性和保存稳定性、            性能好，蒸汽压低，能用于高真

                  适合于需要低温钎焊的场合                空密封焊

                Bi  资源有限，润湿性受杂质影响

                                                          蠕变性差；In    的活性很大而极易

                  很大，特别是 P ；与钎焊材料中

      缺点                                                氧化，且储量不多，成本太高，

                  Pb  易形成低熔共晶，产生剥离现

                                                          只被用于个别较特殊的场合

                  象等；耐热性不好 

       （3）Sn-Zn 和 Sn-Sb 系

      表 2-3 为 Sn-Zn 和 Sn-Sb 合金基本特点，图 2-4  为 Sn-Zn 合金相图及组

织，图 2-5 为 Sn-Sb 合金相图及共晶组织，图 2-6 为 Sn-Zn/Cu 界面特征。

 

                            表 2-3 Sn-Zn 和 Sn-Sb 合金基本特点

    合金系                        Sn-Zn                                   Sn-Sb

  共晶成分                      Sn8.9Zn                                   Sn5Sb

     熔点                         198℃                                 232~240℃

  共晶组织                 β-Sn+Sn-Zn 共晶                         β-Sn+Sn-Sb 共晶

 

   /Cu IMC           γ-Cu  Zn  , β-CuZn, ε-CuZn

                           5   8

 

                延展性与传统共晶钎料相近；抗拉强

     优点       度和蠕变性能较传统共晶钎料好；成

                本低，毒性小

                极易氧化，润湿性差，晶粒易腐蚀，            熔点偏高，润湿性差，Sb          还

     缺点

                制成焊膏不易保存                            稍有毒性

 

      Sn-Zn  系无铅钎料熔点最接近于传统的 Sn-Pb  钎料，这将带来很多工艺

条件上的便利。但是 Zn           是一种易氧化且腐蚀性强的合金元素，其在熔化时

的氧化成为降低润湿性的重要因素，在电子组装领域一直被认为是应该避免

使用的。S       Vaynman  等就含 Zn  钎料焊剂的问题进行了研究，指出含 Sn  金

属有机物的分解在 Cu 表面上能形成 Sn 镀层，从而提高 Sn-Zn 钎料在 Cu 基

上的润湿性。合金钎料的表面张力和粘度对钎料合金在基体上的润湿性能有

很大的影响，Zn  的表面张力为 0.81N/m，比 Pb  的表面张力 0.48N/m 大近一

倍，是 Sn-Zn 系钎料的润湿性比 Sn-Pb 钎料差的另一原因。

      Sn-Zn系钎料可添加一些合金元素，其所起的作用如下：Zn可降低Sn的

熔点，但含锌量高于9%后，熔点重新提高；Ag可提高Sn-Zn钎料的抗腐蚀

性，在含Ag量不高的情况下，对钎料的熔化特性影响不大；In可降低Sn-Zn

合金的液相线和固相线，提高在Cu基上的铺展润湿性能；Bi也可降低Sn-Zn

合金的液相线和固相线，改善湿润性能。当铋含量为5%左右时，可获得适

宜的湿润性，但随着含Bi量的增多，合金的熔化间隔增大，合金的脆性也会

增大；Sb量增多将会使合金的熔化温度升高。

     为了减少钎料熔化时Zn 的氧化，在钎料中添加元素P，P在钎料熔化时

于钎料表面形成薄膜，可以阻碍钎料中锌的氧化，从而达到提高润湿性的目

的。松下电器公司根据此原理开发了Sn7-10Zn1-3.5Ag0.1-3Cu0.5-6Bi0.5-

3In0.001-1P钎料，见日本专利：特开平9-94687。为了改善Sn-Zn系钎料性能

而加入Bi，如韩国三星电机股份公司开发了Sn5-9Zn1-10Bi无铅钎料，见专

利CN1.139.607。为了细化晶粒，提高钎料性能，常加入一些稀土元素，图

2-7为不同稀土含量对Sn8.9Zn组织的细化。

 

     图2-6 Sn-Zn/Cu 界面特征             图2-7  稀土对 Sn8.9Zn 组织的细化

       （4 ）Sn-Cu 和 Sn-Ag 系

     表 2-4 为 Sn-Cu 和 Sn-Ag 合金基本特点，图 2-8 和 2-9 为 Sn-Cu 合金相

图及添加稀土后组织的演变，图2-10 为 Sn-Ag 合金相图及共晶组织。

     Sn-Ag 系钎焊接头的抗蠕变性高于 Sn-Pb 钎料钎焊接头的抗蠕变性，润

湿性稍差于 Sn-Pb 钎料，但优于 Sn-Zn 系钎料的润湿性，这是因为银的表面

张力 0.93N/m 大于锡和铅的表面张力（0.55N/mh 和 0.48N/m）。Sn3.5Ag 共

晶钎料在0～100℃内疲劳性能与Sn-Pb 钎料相当，在-55～125℃内变差。

     Sn-Ag系钎料成分包括Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi-In、Sn-Ag-Cu-

Bi、Sn-Ag-Cu-Sb、Sn-Ag-Cu-Bi-Sb、Sn-Ag-Cu-In等。添加Bi元素，可降低

熔点，产生固溶强化或细小Bi颗粒的弥散强化，使抗拉强度显著提高，但其

延伸率较差。此外随着Bi元素含量的增加，钎料的液－固相线温度均降低，

熔点温度范围也逐渐变宽，使得凝固时间变长。添加In元素，可降低熔点，

提高合金微细化强度和蠕变特性，但钎料表面易形成坚固的氧化膜，使润湿

性大大降低。添加Zn可使Ag3Sn相更细小且弥散分布，抗拉强度有所提高。

                             表 2-4 Sn-Cu 和 Sn-Ag 合金基本特点

  合金系              Sn-Cu                                       Sn-Ag

 共晶成分            Sn0.7Cu                                     Sn3.5Ag

    熔点              227℃                                       221℃

 共晶组织       β-Sn+Sn-Cu 共晶                            β-Sn+Sn-Ag 共晶

 

                                       力学性能不低于 Sn-Pb  钎料，物理性能相似于 Sn-Pb

               价格便宜，有良好        钎料；抗疲劳性明显优于传统共晶钎料；初期和长

    优点       的力学性能和焊点        期抗拉强度变化都比传统共晶钎料好；蠕变变形速

               可靠性                  度慢，至断时间长；添加降低熔点的金属而使延展

                                       性有所下降，但是不存在长期劣化问题。

    缺点       熔点高，润湿性差            润湿性稍差于 Sn-Pb 钎料，价格贵，熔点偏高

 

      焊点处材料不同的热膨胀系数导致的热应力及钎料相对较低的熔点，使

蠕变成了微电子元件中焊点破坏的一个最重要因素。J Villain等研究考察了

无铅钎料Sn3.5Ag的焊点尺寸对蠕变性能的影响，结果发现：焊点的尺寸对

蠕变性能有很大的影响。试验表明：体积为1.8mm  的小焊点的应变和应变

速率比体积为785mm  的大焊点的应变和应变速率要高约25倍，微电子器件

中焊点尺寸比上述“小焊点”尺寸要微小得多，并且还在微型化发展中，这

一结果值得重视。J Zhao等人系统研究了Sn-Ag合金的疲劳断裂生长的特征

和机制，发现Sn3.5Ag合金的疲劳断裂行为与载荷频率和大小密切相关。低

频高载时蠕变作用增加，断裂方式由穿晶转变为沿晶。