2. 无铅焊料合金体系与相图基础
无铅焊料并非单一材料，而是一个以锡（Sn）为基体、通过加入Ag、Cu、Bi、Zn、Sb、In等元素来调节熔点、润湿性、力学性能和可靠性的合金家族。理解这些体系的关键，不是背成分表，而是借助相图看清三件事：熔点在哪里、共晶点在哪里、冷却时组织沿什么路径形成。本节围绕Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Zn五个主流体系展开，并给出用相图判断组织形成路径的基本方法。
一、相图是焊料选择的“地图”
二元相图的横轴是成分（质量分数或摩尔分数），纵轴是温度。对焊料而言，最需要关注的是液相线、固相线和共晶点。液相线表示合金完全熔化的最低温度，固相线表示开始熔化的温度；两者之间的温度区间称为糊状区。糊状区越宽，凝固时越容易形成枝晶偏析、气孔和热裂纹。共晶成分在共晶温度下同时析出两相，熔点最低、糊状区为零，因此常被选作焊料基础成分。
三元相图则多一个成分维度，通常用等温截面或液相面投影来表达。以Sn-Ag-Cu为例，其共晶点并非一个固定值，而是随Ag、Cu比例变化的一条共晶沟槽，工程上常取Sn-3.0Ag-0.5Cu（SAC305）作为近共晶成分。理解这一点，就能明白为什么不同厂商的SAC合金熔点略有差异。
二、Sn-Ag与Sn-Cu：两个基础二元体系
Sn-Ag体系共晶温度为221℃，共晶成分约Sn-3.5Ag。其组织为β-Sn基体上分布细小的Ag₃Sn金属间化合物（IMC）颗粒。Ag₃Sn呈弥散强化作用，使合金具有较好的抗蠕变和抗热疲劳性能，但Ag含量高时成本上升，且润湿性不如Sn-Pb。Sn-Cu体系共晶温度为227℃，共晶成分约Sn-0.7Cu，组织为β-Sn加Cu₆Sn₅颗粒。Cu₆Sn₅在界面处形成扇贝状IMC层，是焊接接头的关键连接相，但过厚会脆化界面。
这两个体系单独使用时，Sn-Ag熔点偏高、成本高，Sn-Cu润湿性和抗氧化性一般。因此实际应用中更多采用Sn-Ag-Cu三元体系，通过Ag和Cu的协同作用降低熔点并改善综合性能。
三、Sn-Ag-Cu：主流无铅焊料的核心
SAC合金的共晶温度约217℃，比Sn-3.5Ag低约4℃，比Sn-0.7Cu低约10℃。其组织由β-Sn基体、Ag₃Sn和Cu₆Sn₅两相组成。冷却过程中，初生β-Sn或初生IMC先析出，随后在共晶温度附近发生共晶反应，形成细小的共晶组织。Ag₃Sn主要提供强度与抗蠕变能力，Cu₆Sn₅则影响界面反应和润湿性。
以SAC305为例，其典型焊接峰值温度建议为235～245℃，回流时间约60～90秒。若峰值温度过低，IMC层过薄、润湿不足；过高则IMC层过厚、界面脆性增加。实际生产中，还需关注冷却速率：冷速过快会细化组织、提高强度，但可能增加残余应力；冷速过慢则组织粗化、抗疲劳性能下降。因此，SAC合金的工艺窗口需要结合相图与热曲线共同确定。
四、Sn-Bi与Sn-Zn：低温与特殊场景
Sn-Bi共晶温度为139℃，是主流低温焊料的基础。其组织为β-Sn与Bi两相，Bi在β-Sn中固溶度随温度变化显著，冷却时易析出粗大Bi相，导致脆性增加。因此Sn-Bi合金通常加入少量Ag或Cu来细化组织、抑制Bi偏析。Sn-Bi的优点是熔点低、润湿性好，适合热敏感元件和阶梯焊接；缺点是脆性大、抗蠕变差，且Bi元素可能与Pb污染形成低熔点相，需注意无铅工艺的交叉污染控制。
Sn-Zn共晶温度为198℃，接近Sn-Pb共晶温度，且Zn资源丰富、成本低。但Zn极易氧化，导致润湿性差、焊点易腐蚀。因此Sn-Zn合金通常需要专用助焊剂和氮气保护，实际应用远不如SAC广泛。其组织为β-Sn与Zn相，Zn相在潮湿环境中易发生电化学腐蚀，这是可靠性设计时必须考虑的问题。
五、用相图判断组织形成路径
以Sn-3.0Ag-0.5Cu为例，冷却路径可这样分析：从液相区降温，首先穿过液相面，开始析出初生β-Sn；继续降温至共晶沟槽附近，剩余液相发生三元共晶反应，形成β-Sn+Ag₃Sn+Cu₆Sn₅的共晶组织。最终室温组织为初生β-Sn枝晶加枝晶间共晶组织。若Ag含量提高，初生Ag₃Sn增多，强度上升但塑性下降；若Cu含量提高，Cu₆Sn₅增多，界面IMC增厚风险加大。
对于Sn-Bi，冷却路径为：液相→初生β-Sn或初生Bi→共晶反应→室温组织。由于Bi在β-Sn中的固溶度随温度下降而急剧降低，冷却过程中会持续析出Bi相，形成“β-Sn+Bi”的两相组织。若冷速过慢，Bi相粗化并偏聚在晶界，显著降低塑性。
六、体系选择与工艺匹配要点
| 体系 | 共晶温度 | 典型组织 | 主要优势 | 主要限制 |
|---|---|---|---|---|
| Sn-3.5Ag | 221℃ | β-Sn + Ag₃Sn | 抗蠕变好 | 熔点高、成本高 |
| Sn-0.7Cu | 227℃ | β-Sn + Cu₆Sn₅ | 成本低 | 润湿性一般 |
| SAC305 | 217℃ | β-Sn + Ag₃Sn + Cu₆Sn₅ | 综合性能好 | 成本较高、工艺窗口窄 |
| Sn-58Bi | 139℃ | β-Sn + Bi | 低温焊接 | 脆性大、抗蠕变差 |
| Sn-9Zn | 198℃ | β-Sn + Zn | 成本低、熔点接近Sn-Pb | 易氧化、耐蚀性差 |
选择焊料体系时，不能只看熔点，还要把相图给出的组织信息与服役条件对应起来。高温服役场景优先考虑SAC或Sn-Ag体系，利用Ag₃Sn和Cu₆Sn₅的强化作用；低温装配或热敏感器件优先考虑Sn-Bi体系，但需通过微合金化改善脆性；成本敏感且对耐蚀要求不高的场景可评估Sn-Cu或Sn-Zn，但必须配套专用助焊剂和工艺控制。相图是起点，组织是桥梁，可靠性是终点。