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無鉛焊錫膏的最佳合金成分


  在無鉛錫膏的成分中,主要是由錫/銀/銅三部分組成,由銀和銅來代替原來的鉛的成分。
根本的特性和現象
  在錫/銀/銅系統中,錫與次要元素(銀和銅)之間的冶金反應是決定應用溫度、固化機制以及機械性能的主要因素。按照二元相位圖,在這三個元素之間有三種可能的二元共晶反應。銀與錫之間的一種反應在221°C形成錫基質相位的共晶結構和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。銅與錫反應在227°C形成錫基質相位的共晶結構和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。銀也可以與銅反應在779°C形成富銀α相和富銅α相的共晶合金。可是,在現時的研究中1,對錫/銀/銅三重化合物固化溫度的測量,在779°C沒有發現相位轉變。這表示很可能銀和銅在三重化合物中直接反應。而在溫度動力學上更適于銀或銅與錫反應,以形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。因此,錫/銀/銅三重反應可預料包括錫基質相位、ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。 和雙相的錫/銀和錫/銅系統所確認的一樣,相對較硬的Ag3Sn和Cu6Sn5 粒子在錫基質的錫/銀/銅三重合金中,可通過建立一個長期的內部應力,有效地強化合金。這些硬粒子也可有效地阻擋疲勞裂紋的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔較細小的錫基質顆粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越細小,越可以有效的分隔錫基質顆粒,結果是得到整體更細小的微組織。這有助于顆粒邊界的滑動機制,因此延長了提升溫度下的疲勞壽命。
  雖然銀和銅在合金設計中的特定配方對得到合金的機械性能是關鍵的,但發現熔化溫度對0.5~3.0%的銅和3.0~4.7%的銀的含量變化并不敏感。
  機械性能對銀和銅含量的相互關系分別作如下總結2:當銀的含量為大約3.0~3.1%時,屈服強度和抗拉強度兩者都隨銅的含量增加到大約1.5%,而幾乎成線性的增加。超過1.5%的銅,屈服強度會減低,但合金的抗拉強度保持穩定。整體的合金塑性對0.5~1.5%的銅是高的,然后隨著銅的進一步增加而降低。對于銀的含量(0.5~1.7%范圍的銅),屈服強度和抗拉強度兩者都隨銀的含量增加到4.1%,而幾乎成線性的增加,但是塑性減少。
  在3.0~3.1%的銀時,疲勞壽命在1.5%的銅時達到最大。發現銀的含量從3.0%增加到更高的水平(達4.7%)對機械性能沒有任何的提高。當銅和銀兩者都配制較高時,塑性受到損害,如96.3Sn/4.7Ag/1.7Cu。
最佳合金成分
  合金95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu被認為是最佳的。其良好的性能是細小的微組織形成的結果,微組織給予高的疲勞壽命和塑性。對于0.5~0.7%銅的焊錫合金,任何高于大約3%的含銀量都將增加Ag3Sn的粒子體積分數,從而得到更高的強度。可是,它不會再增加疲勞壽命,可能由于較大的Ag3Sn粒子形成。在較高的含銅量(1~1.7%Cu)時,較大的Ag3Sn粒子可能可能超過較高的Ag3Sn粒子體積分數的影響,造成疲勞壽命降低。當銅超過1.5%(3~3.1%Ag),Cu6Sn5粒子體積分數也會增加。可是,強度和疲勞壽命不會隨銅而進一步增加。在錫/銀/銅三重系統中,1.5%的銅(3~3.1%Ag)最有效地產生適當數量的、最細小的微組織尺寸的Cu6Sn5粒子,從而達到最高的疲勞壽命、強度和塑性。
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