Sn-Pb钎料因其熔点低、成本低廉和润湿性良好等优点被广泛应用于电子封装，但因为Pb的毒性而逐渐被剔出电子工业，取而代之的是无铅钎料。据研究表明，Sn基材料仍然是取代传统锡铅焊料的最佳选择，在Sn中添加Ag、Zn、Cu、Bi、Sb、In等第二组元，并通过少量添加稀有元素来不断调节焊料的可焊性，进一步优化其熔点及物理性能。下面介绍一下LED封装焊接中经常应用的无铅钎料。

1）Au-Sn钎料

Au80Sn20焊料作为一种无铅焊料，具有良好的润湿性和流动性，而且适用于无钎剂钎焊，可避免对元器件的污染。Au-Sn焊料的接头强度大、热导率高、耐腐蚀，是一种广泛应用于微电子器件、光电子器件封装的高可靠性钎料。

Au80Sn20合金焊料为共晶成分：80%Au和20%Sn（质量分数），共晶温度为280℃。根据Au-Sn相图（见图6-23），温度高于280℃时，Au-Sn焊料迅速熔化。随着温度下降至280℃发生共晶反应：L→δ-AuSn＋ζ，形成δ-AuSn相和不稳定的ζ相，ζ相的Sn含量为9.1%～17.6%（原子分数）。温度继续下降至190℃时，发生包析反应：ζ＋δ→ζ′-Au5Sn。室温下Au80Sn20钎料由δ-AuSn和ζ′-Au5Sn两种脆性相组成。应该指出的是，固态下的金锡合金均没有出现单质的锡或者金，而是以不同的金锡金属间化合物的混合组织出现，因此原则上讲金锡合金的化学性质与纯金类似，非常稳定，不易被氧化和腐蚀。但是，金与锡形成的金属间化合物（IMC）都是脆相，所以固态下的金锡合金都具有极大的脆性，较难用常规方法加工成型。其基本物理性质见表6-4。

图6-23　Au-Sn相图

表6-4　Au80-Sn20焊料在20℃时的物理性质

（续表）

AuSn20的熔点是280℃，非常适合作为电子焊接材料。作为共晶合金，AuSn20有着细小均匀的晶格、很高的强度的特征（焊接强度为47.5 MPa），因而能够耐受热冲击、热疲劳，能够在高温环境或者温度变化幅度大的环境下使用。AuSn20具有良好的漫流性，能够很迅速地铺展开来，保证焊接的密封性。AuSn20的热导率为57 W／（m·K），是所有钎焊料中最高的。AuSn20的抗蚀能力与抗氧化能力较强。AuSn20焊料可直接在镀金层上焊接（“不吃金”）。

但是金锡共晶合金焊料也有不少缺点。首先金锡合金焊料的金含量很多，制作成本相对于锡铅焊料增加了不少；其次，由于其成分为包含两种IMC的共晶组织，脆性很大，很难对其进行成型、冲裁等机械加工。

2）Sn-Ag-Cu（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）钎料

Sn-Ag-Cu（SAC）焊料是最常用的无铅焊料。目前，认可度最高的是日本JEITA推荐使用的SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu）合金。

图6-24为Sn-Ag-Cu合金的三元相图。从图中可以观察到Sn-Ag-Cu合金的共晶组织有β-Sn、Ag3Sn和Cu6Sn5，液相线的温度区间为217～227℃。该相系具有以下主要特点：熔化温度接近Sn-Pb共晶温度；有较好的润湿性能和钎焊工艺性能；有较好的物理性能，如强度、抗蠕变和热疲劳性能，金属组织稳定性强；有较好的化学性能，使钎焊接头有良好的耐腐蚀性；良好的导电性和导热性能。

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图6-24　Sn-Ag-Cu三元相图

直到目前，Sn-Ag-Cu的共晶成分还没有被准确地确定下来，熔化温度范围大，熔点过高是Sn-Ag-Cu最大缺陷。另一方面，Ag作为贵重金属提高了SAC焊料的成本，成本的提高也是限制SAC使用的重要因素。

3）其他无铅钎料

无铅钎料按其合金元素分为Sn-Zn系、Sn-Cu系、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Bi系、Sn-In系等系列无铅钎料。其中研究最广泛的是Sn-Ag-Cu（SAC）、Sn-Zn、Sn-Ag和Sn-Cu无铅钎料。它们的优缺点见表6-5。

表6-5　常见无铅钎料性能

4）钎料性能的改进

（1）浸润性能

润湿性是指一种液态金属在一种固体表面铺展的能力。评定钎料润湿性的常用指标有：铺展面积、润湿时间和润湿力。一般而言，拥有良好润湿性的钎料应具有较高的润湿力和较短的润湿时间。

钎焊过程中镀层金属溶解到熔融钎料中，二者之间的互溶度是影响润湿性的关键。

温度直接影响Au在Au-Sn中的浸润性。390℃时，Au-Sn焊球表现出最好的润湿性，润湿角为25°，润湿动力学取决于熔融Au-Sn焊球表面的氧化和Au的溶解速率。300～390℃时，润湿性主要取决于Au的溶解速率，随着温度升高而增加。390℃以上时，Au-Sn焊料表面的氧化速率超过Au的溶解速率，润湿性逐渐下降。440℃出现不润湿现象。

对于Sn-Ag-Cu钎料，添加适量的Bi、In、Zn、Al、Ni、Ge、Sb、Fe、稀土元素Er、Re、重金属元素Y、Ce、纳米Al2O3、TiO2、微量Ni涂层碳纳米管等，能够有效地提高润湿性，而添加Ga、Mg、纳米Co颗粒、Al、Ni却会降低润湿性。

（2）界面反应

焊料与镀层之间的结合主要通过发生界面反应形成Au-Sn、Ni-Sn金属间化合物来实现。Cu、Pt的原子结构与Au相似，以置换原子的形式溶解在金属间化合物中。镀层结构、焊盘尺寸、回流次数、时效时间和时效温度等与金属间化合物的形成和老化有关，是电子封装中工艺流程及结构设计、使用寿命评估需要考虑的重要因素。

（3）加热方法

对于钎料合金作为TIMs的芯片键合主要有再流焊、热板加热、活性自反应钎焊、感应局部加热等方法。