锡铅焊料的二元金相图解释

虽然无铅锡膏(焊锡)已经是现代环保电子科技的主流了，但是基于信赖度的考量，汽车业与军用电子都还有很多产品还在使用含铅的焊锡，因为「含铅焊锡」的焊接强度比「无铅焊锡(lead free)」高出许多。

有铅锡膏的主要成份以锡(Sn)及铅(Pd)为主，其他微量成份还有银、铋、铟等金属，各有其不同的熔点（M.P.），不过本文先假设这些微量的其他金属成分不会影响到锡膏的特性，所以我们可以先用锡铅的二元相图来解释锡膏的特性，因为三元以上的相图实在是太复杂了。

而且不论是焊料或是IMC，其组成的份子越多，其结构也就越复杂，也越不容易管控，可靠度也越差。

相关延伸阅读：锡膏中添加铜银锌锑铋铟等微量金属的目的为何？

在解释

参考一下文章最前面的锡铅二元相图，横坐标表示锡铅的重量百分比(Wt%)，纵座标表示摄氏温度(°C)。

我们先来看这张图的几个相区(phase)：

• AEF以上的区域为「液态区(Liquid)」。当温度与锡铅重量比落在此区域时锡铅两种金属同为液体状态。
• CBEGH围起来的区域为「固态区(Solid)」。当温度与锡铅重量比落在此区域时锡铅两种金属都为固体状态。
• ABC围起来的区域为「富铅(αPb)固溶体区(Solid Solution)」。「锡」溶解在「铅」之中。
• FGH围起来的区域为「富锡(βSn)固溶体区(Solid Solution)」。「铅」溶解在「锡」之中。
• ABE围起来的区域为「富铅浆态(αPb+L)。此区为为多量固态铅+少量液态锡。
• EFG围起来的区域为「富锡浆态(βSn+L)。此区为为多量固态锡+少量液态铅。

另外，还有几条段(line)必须先说明：

• AEF线段：液化熔点线。高于此线的温度，表示两种金属都会融化成液体。
• CBEG线段：固化凝固线，低于此线的温度，表示两种金属都会固化成固体。
• CB线段：富铅(αPb)固溶体饱和溶解线(solubility curve)，或称为固溶线。
• HG线段：富锡(βSn)固溶体饱和溶解线(solubility curve)，或称为固溶线。
• BEG线段：共晶线，表示αPb、βSn、L三态共存平衡线。

铅的熔点为327°C，所以相图的左上角就是从327°C开始的(100%的「铅」，A点)，随着锡铅重量比的含铅量越来越少，焊锡量越来越多，这条【液化熔点(Liquidus m.p.)】线的温度也越来越低，当锡铅重量比来到最佳的Sn63/Pb37（实际为Sn61.9/Pb38.1，因为早期技术量测不准，以致造成误差），其液化熔点也达到最低的183°C，如果继续再增加含锡的比率，其液化熔点温度就则反转上升，到达纯锡（100%的「锡」）时的232°C。

（对于大陆那些盗文网站，复制贴上本站文章后，居然还改成自己公司的名字，感到无耻！文章内容部份防止复制编排可能造成您阅读的不便，请见谅！）

锡铅合金焊料除了61.9/38.1的重量比有个唯一的【共固点(E点)、共熔点、共晶点（Eutectic）】183°C之外，其他不同的重量比皆会出现两个熔点，温度较高者称为【液化熔点(Liquidus m.p.)】，温度较低者称为【固化熔点(Solidus m.p.)】。介于两熔点之间的焊料则称之为【浆态(pasty)】，也就是固态与液态共存(co-exist)的高黏度流体。所谓的浆态(pasty)其实就有点类似土石流的型式，因为其中可能是锡已经变成液态但是铅还是固态(αPb+L)，或是刚好相反(βSn+L)。

至于为什么我们一定得用Sn63/Pb37的重量比例，这是因为纯锡的融点高达232°C，不利用于一般的PCB板组装焊接，或者说目前的电子零件都无法达到这样的高温，所以必须以锡为主，然后加入其他合金焊料来降低其熔点，以达到可以量产并节省能源的主要目的，也可以降低电子零件耐温的门槛，因为绝大部分电子产品的使用与储存环境都只会在-40°C～+70°C之间而已，所以183°C的熔点真已经是绰绰有余了；其次要目的是可以改善焊点的韧度(Toughness)与强度(Strength)。

一般的相图都会有α、β、γ等符号来表示相图中的固溶体，本锡铅相图只有二元，所以只用到α及β。这张相图的α指的是富铅(Pb)的固溶体，而β则是富锡(Sn)的固溶体。

（这里稍微解释一下什么是溶质(solute)与溶剂(solvent)。以盐巴溶解在水中当例子，盐巴为溶质，水为溶剂，其实溶质与溶剂只是一个相对的概念，当盐巴比水还要来得多的时候，水就变成了溶质，而盐巴就变成了溶剂。再用个比喻，把玻璃珠埋在沙子里，沙子就是溶剂，而玻璃珠就是溶质。那如果把少量的沙子撒在一堆玻璃珠之间，玻璃珠就变成了溶剂，而沙子就是溶质。）

（对于大陆那些盗文网站，复制贴上本站文章后，居然还改成自己公司的名字，感到无耻！文章内容部份防止复制编排可能造成您阅读的不便，请见谅！）

αPb相区(CBA)为富铅的固溶体，但是锡会溶解在铅之中，锡变成了溶质，在这个相区，锡的溶解度有其上限，从C点开始，随着温度的上升(CB线)到183°C时(B点)，锡的溶解度来也到最高的18.3%，当温度继续升高(BA线)，锡的溶解度反而渐渐变少至零(A点)。

βSn相区(HFG)则为富锡的固溶体，相对的铅则溶解在锡之中，铅变成了溶质。从H点开始，随着温度的上升(HG线)到183°C时(G点)，锡的溶解度来也到最高的2.23%(=100-97.8)，当温度继续升高(GF线)，锡的溶解度反而渐渐变少至零(F点)。

	熔点	沸点	原子量	原子半径	共价半径
锡(Sn)	231.93°C	2602°C	118.69	140 pm	139±4 pm
铅(Pb)	327.46°C	1749°C	207.2	180 pm	147 pm
镍(Ni)	1455°C	2913°C	58.71	124 pm	124±4 pm
金(Au)	1064.18°C	2856°C	196.9665	144 pm	136±6 pm
银(Ag)	961.78°C	2162°C	107.868	144 pm	145±5 pm
铜(Cu)	1084.62°C	2562°C	63.546	128 pm	132±4 pm
铋(Bi)	271°C	1564°C	208.9804	160 pm	146 pm

如果您发现内容有错误，请指正。

---

延伸阅读：
浸金及电镀金在电路板焊接中所扮演的角色
SMT与Wave soldering焊锡的中文翻译与观念澄清
ENIG表面处理PCB焊垫的两大潜在问题(黑镍与富磷层)及预防措施
何谓IMC (Intermetallic Compound)？IMC与PCB焊接强度有何关系？

• LTS低温焊锡可靠度验证

贊助商广告

---

PayPal

欧付宝

访客统计

188金宝搏苹果下载 聊电子制造Podcast