在选择电路板组装用的无铅合金时，了解无铅合金的浸润化学动力学特性十分重要 　　

        在过去的二十年中，焊接合金的浸润能力一直没有作为研究和讨论的主题，这是因为锡铅共熔合金 (63Sn37Pb) 早就是一种常用的配方，没有选择的必要。然而，由于无铅合金的出现，为了选择适当的无铅焊锡来组装线路，并保证焊点的整体质量以及线路板的成品率，了解无铅合金的浸润化学动力学特性变得非常重要。

　　焊接合金的固有浸润能力是一个重要的性能指标，它直接影响到焊接互连的完整性。这种固有浸润能力也控制着动态焊接过程（波峰焊接或回流焊接）中的产量和成品率。 除此之外, 在焊剂有效的化学作用下，焊料所具有的对电路板和元件的可焊度，直接影响着焊点的质量。

　　这项研究评估了一些选定的无铅合金的相对浸润性能。基于综合性能指标，这些合金可能是最有希望的无铅焊候选品，它们包括: 99.3Sn/0.7Cu、 96.5Sn/3.5Ag、 93.5Sn/3.5Ag/3.0Bi、 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu、 96Sn/2.5Ag/1.0Bi/0.5Cu、 88Sn/3.5Ag/4.5Bi/4.0In、 95Sn/0.5Cu/0.5Ga/4In、 91.4Sn/4.1Ag/0.5Cu/4.0In。 整项评估以Sn63/Pb37 为标准。

　　测试步骤和结果

　　这项研究采用浸润平衡法，测试样品的制备遵循IPC-TM-650 标准。 测试样品采用层压铜板，尺寸为 10mm×25mm×0.85mm (宽度×长度×厚度)。浸渍深度5mm，停留时间10秒,浸渍速率25mm/秒。测试温度选择为235°C(大批量Sn/Pb焊接推荐的工艺温度)、245°C (IPC-TM-650)、255°C和265°C。

　　焊剂用Asahi的FL2002,它是含有 0.09% 卤化物和 7% 固体成分的 RMA 焊剂，适合于 SnPb 的波峰焊工艺。

　　本课题研究了上述无铅合金的浸润时间(t)、浸润力(F)、以及温度对浸润时间和浸润力的影响。特别检测了温度对到达零浸润力时间、到达 2/3浸润力的时间(t F2/3) 的影响、以及温度在2秒时对最大浸润力的影响。

　　根据普遍接受的ANSI/J-STD-003准则（波峰焊的浸润时间 <1 秒，回流焊的浸润时间 <2 秒），如果在上述条件下测得的浸润时间少于1秒，就意味着好的浸润现象，以及与之对应的质量合格的波峰焊工艺。  

　　浸润时间。图 1 比较了选定的无铅合金的相对浸润时间指标。在245 °C 的温度下,88Sn/3.5Ag/4.5 Bi/4In 具有与 63Sn/37Pb相当的良好结果，其浸润时间少于 1 秒，而 96/Sn2.5Ag/1.0Bi/0.5 Cu、91.4 Sn/4.1 Ag/0.5 Cu/4.0 以及 99.3 Sn/0.7 Cu 同样给出浸润时间接近 1 秒的良好结果。这说明在245°C的工作温度下， 88Sn/3.5Ag/4.5Bi/4In、96Sn/2.5Ag/1.0Bi/0.5Cu、91.4Sn/4.1Ag/0.5Cu/4.0In 和 99.3Sn/0.7Cu比96.5Sn/3.5Ag、93.5Sn/3.5Ag/3.0Bi及 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu  具有更优良的浸润性能。

 
 　　浸润力。 浸润力测量是在 245°C 的焊接温度下，时间为2.0 秒时测定的。图 2给出了选定的无铅合金在 245 °C 时相对浸润力。结果表明，合金 95.5Sn/4.0Ag/0.5 Cu给出了最低的浸润力，而 88Sn/3.5Ag/4.5Bi/4.0 和 91.4Sn/4.1 Ag/0.5 Cu/4In 的浸润力是最高的,与 63 Sn/37 Pb 相当。

　　从这些浸润力数据可明显看出，无铅合金 88Sn/3.5Ag/4.5 Bi/4In和 91.4Sn/4.1 Ag/0.5 Cu/4In 的表现实际上与 SnPb 合金相同，而合金 99.3 Sn/0.7 Cu 和 96 Sn/2.5 Ag/1.0 Bi/0.5 Cu 则接近于 63 Sn/37 Pb 。93.5 Sn/3.5 Ag/3.0 Bi 和 95.5 Sn/4.0 Ag/0.5 Cu在245°C的温度下则不能达到预期的要求。 

 
　　无铅合金的浸润时间与焊接温度的关系。温度效应研究的测试结果如图3。正如预期的那样, 所有的无铅焊锡的浸润时间都随着温度的增加而降低，这符合治金反应、表面张力和流动性等理论的预测。  

 
　　表 1 归纳了选定的无铅合金浸润能力与焊接温度的关系。它表明，在235°C的温度下，96Sn/3.5Ag、95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 和 96.5Sn/3.5Ag/3.0 Bi的浸润运动学过程过于缓慢，只有 63Sn/37Pb 和88Sn/3.5Ag/4.5 Bi/4In 达到了ANSI/J STD-003的浸润时间标准。  

 
  　到达最大浸润力的2/3时的浸润时间。 一般推荐到达 2/3 最大力的时间(t F2/3)应该是少于二秒，以便在波峰焊工艺下得到好的可焊度。 在测量到达 2/3 最大力的浸润时间时，93.5Sn/3.5Ag/3Bi 和 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 焊锡在(235°-265°C)的温度范围内，甚至在(>255°C)的高温下，具有比二秒还长的浸润时间。所以，这两种焊锡不可能适用于罐温低于255°C的波峰焊工艺。

　　在235°C时，只有63Sn/37Pb 和88Sn/3.5Ag/4.5 Bi/4In能够达到t F2/3< 2秒。当温度增加到245°C时，99.3Sn/0.7Cu、 91.4Sn/4.1Ag/0.5 Cu/4In 和 96Sn/2.5Ag/1.0Bi/0.5 Cu能够获得 t F2/3<2秒。255 °C时，所有的无铅合金都达到了t F2/3<2秒。  

 
　　最大浸润力。 图 5 展示了在235°C－ 265°C 的温度范围内，时间为2秒时的最大浸润力。虽然没有标准规定最大浸润力的值,95.5Sn/4.0Ag/0.5 Cu 和 95.5Sn/3.5Ag/3.0 Bi 在 235°C-245°C 的温度范围内表现出最低的浸润力，而 88Sn/3.5Ag/4.5 Bi/4In 却表现出最大的浸润力。

　　如图 5 所示,在所测试的无铅焊锡中,88Sn/3.5Ag/4.5 Bi5/4In不但表现出最大浸润力, 而且与63Sn/37Pb 等同。而只有当温度高达265°C的时候,其他的无铅焊锡的浸润力才接近 63Sn/37Pb 的水平。大体上,99.3Sn/0.7Cu、 96.5Sn/3.5Ag、 96Sn/2.5Ag/1.0Bi/0.5 Cu、88Sn/3.5Ag/4.5Bi/4.0In 和 91.4Sn/4.1Ag/0.5Cu/4.0In的最大浸润力明显地高于93.5Sn/3.5Ag/3.0 Bi 和 95.5 Sn/4.0 Ag/0.5 Cu。

　　总结和结论

　　浸润时间和浸润力反映了无铅合金的相对浸润性能。更明确地说，在一定的焊接工艺下，它们与焊锡的伸展和弯月面的成形有关。 如预期的那样，工艺温度影响着浸润的效果，合金的浸润能力随温度的增加而增加，直到接近一个相对稳定的状态。在使用RMA 焊剂的条件下，测试结果表明，88Sn/3.5Ag/4.5 Bi/4In 能够表现出可与63Sn/37Pb在235°C时相比的浸润能力；而Sn91.4/Ag4.1/Cu0.5/In4 和 96Sn/2.5Ag/1.0 Bi/0.5 Cu在245 °C表现出很好的浸润能力；Sn99.3/Cu0.7 焊锡在温度高于245°C时可以达到很好的浸润；95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu、95.5Sn/4.5Ag/3.0Bi 和 96.5Sn/3.5Ag 直到焊接温度接近255 °C还不具有好的浸润性。

　　就此得出的结论是，无铅合金,例如 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu、95.5Sn/4.5Ag/3.0Bi 和 96.5Sn/3.5Ag，在普遍使用的波峰焊和回流焊的焊接温度 (等于或低于 240°C- 245°C)和现有设备和工艺设定下，不能提供好的浸润性。

　　此外，试验结果表明，在 265°C时，本研究中所有被测的无铅合金的浸润时间都少于1秒。这说明所选择的全部无铅合金在高温下都能达到可接受的浸润。

　　总的来看，这项有系统的研究表明，在浸润能力方面性能最高的是96Sn/2.5Ag/1.0Bi/0.5Cu、88Sn/3.5Ag/4.5Bi/4.0In和 91.4Sn/4.1Ag/0.5Cu/4.0。

　　这项研究中所测试的无铅合金浸润参数和相对性能的趋势是一致的。因此，可以预测，在浸润能力和弯月面成形方面，这些由浸润平衡技术获得的浸润参数，会与真实的波峰焊接工艺中的评估结果相吻合。

　　合金和合金组分决定了给定温度下的浸润性能。88Sn/3.5Ag/4.5Bi/4In 和 91.4Sn/4.1Ag/0.5Cu/4In 在 235 和 245°C之间，表现出与63Sn/37Pb可以相比的浸润性能，所以这两种合金可以考虑用于波峰焊和回流焊两种工艺中，作为 63Sn/37Pb 的直接替换品。