2.5 相位图和焊接

相位图是热力学平衡状态时相位的描述，它是成分和热力学参数（如温度）的函数。它不仅有利于提供大概的相位组成，还提供了组成成分的熔化温度。由于热力学的性质，相位图不能预测运动的性质，如在成分之间的反应率和润湿特性、在氧化基底金属上的润湿速度；另外，也不能预测焊点各种相位的形态。

焊接通常是包括化学反应的短暂过程，但在本质上是高度动力学性质。适当地使用相位图和补充的信息，会更深入地理解并能预测焊接的一些性能。相位图应用于焊接中可由下面的例子得到说明。

对于Sn-Pb焊料系统，二元共晶体相位图可参看图2-21，各种成分的焊接特性用成分A、B和C加以说明。

图2-21 Sn-Pb系合金相图

对于成分B（Sn-30Pb），在固相线的温度为183℃时焊料开始熔化，但在液相线的温度达257℃以前，并不完全转变成液体。固相线告知其使用温度上限必须低于183℃。257℃的液相线告知如焊接温度低于257℃，焊料将呈黏滞性糊状。这将不可避免地导致在形成焊点时焊料的不良扩散。然而如果要确保适当的流动，焊接温度需要比257℃更高。所需要的高的工艺温度将导致很多的电子部件热损坏，因此排除此种焊料成分将作为电子工业互连应用主流的选择。

较宽的黏滞性糊状范围是这种焊料的另外一个缺点，这会引起焊缝剥离。此现象可在波峰焊接时见到，焊缝是从焊盘边缘沿着焊料—基板的界面翘起的，如图2-22所示。产生原因是焊料和元件之间的热膨胀系数不匹配，但较宽的黏滞性范围更进一步加重了此现象。

图2-22 焊缝剥离现象

对于成分C（Sn-37Pb），焊料是共晶合金，在183℃时即刻由固体转变成液体。与相邻的成分比较焊料的黏度是最小的，参看图2-23。其低黏性及熔融焊料与基底金属的相互作用，在焊接中推动焊料快速地扩散。由于在扩散特性上占优势，因而共晶合金焊料首先被选用，它比亚共晶和过共晶成分焊料应用得更广泛。

对于成分A（Pb-3Sn），焊料固相线为316℃、液相线为321℃有一黏滞性糊状范围。此狭窄的黏滞性范围，在超过340℃的高温下，焊料具有良好的润湿性，因此它可用于特殊焊接应用中，如倒装芯片C4（可控塌陷芯片载体）的连接。

图2-23 超出液相线温度以上50℃时Sn-Pb焊料的黏度