2.5 相位圖和焊接

相位圖是熱力學平衡狀態時相位的描述，它是成分和熱力學參數（如溫度）的函數。它不僅有利于提供大概的相位組成，還提供了組成成分的熔化溫度。由于熱力學的性質，相位圖不能預測運動的性質，如在成分之間的反應率和潤濕特性、在氧化基底金屬上的潤濕速度；另外，也不能預測焊點各種相位的形態。

焊接通常是包括化學反應的短暫過程，但在本質上是高度動力學性質。適當地使用相位圖和補充的信息，會更深入地理解并能預測焊接的一些性能。相位圖應用于焊接中可由下面的例子得到說明。

對于Sn-Pb焊料系統，二元共晶體相位圖可參看圖2-21，各種成分的焊接特性用成分A、B和C加以說明。

圖2-21 Sn-Pb系合金相圖

對于成分B（Sn-30Pb），在固相線的溫度為183℃時焊料開始熔化，但在液相線的溫度達257℃以前，并不完全轉變成液體。固相線告知其使用溫度上限必須低于183℃。257℃的液相線告知如焊接溫度低于257℃，焊料將呈黏滯性糊狀。這將不可避免地導致在形成焊點時焊料的不良擴散。然而如果要確保適當的流動，焊接溫度需要比257℃更高。所需要的高的工藝溫度將導致很多的電子部件熱損壞，因此排除此種焊料成分將作為電子工業互連應用主流的選擇。

較寬的黏滯性糊狀范圍是這種焊料的另外一個缺點，這會引起焊縫剝離。此現象可在波峰焊接時見到，焊縫是從焊盤邊緣沿著焊料—基板的界面翹起的，如圖2-22所示。產生原因是焊料和元件之間的熱膨脹系數不匹配，但較寬的黏滯性范圍更進一步加重了此現象。

圖2-22 焊縫剝離現象

對于成分C（Sn-37Pb），焊料是共晶合金，在183℃時即刻由固體轉變成液體。與相鄰的成分比較焊料的黏度是最小的，參看圖2-23。其低黏性及熔融焊料與基底金屬的相互作用，在焊接中推動焊料快速地擴散。由于在擴散特性上占優勢，因而共晶合金焊料首先被選用，它比亞共晶和過共晶成分焊料應用得更廣泛。

對于成分A（Pb-3Sn），焊料固相線為316℃、液相線為321℃有一黏滯性糊狀范圍。此狹窄的黏滯性范圍，在超過340℃的高溫下，焊料具有良好的潤濕性，因此它可用于特殊焊接應用中，如倒裝芯片C4（可控塌陷芯片載體）的連接。

圖2-23 超出液相線溫度以上50℃時Sn-Pb焊料的黏度