從元素周期表認識無鉛焊料的性能

人們對無鉛焊料已做了廣泛的研究，并已開發出三大系列無鉛焊料。但這幾大系列無鉛焊料的部分性能，特別是焊接性能/潤濕性、焊接溫度/工藝性以及經濟性等方面，尚不及SnPb焊料。

考察這些元素在元素周期表中的位置，我們不難看出，為什么已開發出的無鉛焊料在性能上只能部分達到SnPb焊料的水平？或者說，為什么尋找真正能與SnPb合金相同性能的物質是非常非常的困難？
目前，已經開發成功的無鉛焊料的合金成份，基本上由元素周期表已經開發的元素作為焊膏的合金成分。
無鉛焊錫
SnPb合金最符合“相似相融”原則
　　Sn-Pb焊料幾乎有了幾千年的歷史，至今尚無法完全取代它們，表觀上與他們的物化性能有關，而最根本的原因是與Sn、Pb兩元素在周期表中的位置有關，它們均是第Ⅳ主族元素，排列位置緊緊相連（Sn在第五周期內，Pb在第六周期內），就好象同一家族內的弟兄倆一樣，血脈相通，它們之間互熔性能好，合金本身不存在金屬間化合物（IMC）。
　　但又由于Pb在元素周期表中是第82號元素位，碳族的末端，屬第六周期。而Sn在元素周期表中是第50號元素，排列在次末端，屬第五周期。因為Pb的核電荷數為82，遠大于核電荷為50的Sn，故通常Sn可以失去最外層的4個電子形成Sn4+離子，如SnO2，故Sn呈現出明顯的金屬性能，而Pb原子外層也有4個電子，但因核電荷數有82個，對最外層4個電子有大的引力，故通常Pb只能失去2個電子，形成Pb2+離子，如PbO，故Pb元素的活潑性不及Sn元素的活潑性，因此在使用SnPb焊料焊接金屬Cu時，實際上只有Sn參與被焊金屬Cu等的結合，而Pb不參與反應，Sn與Cu通過相互擴散的原理，形成金屬間化合物Cu6Sn5，焊接學中這種擴散又稱之為選擇性的擴散，但微觀的原因仍是由Sn、Pb元素的原子結構所決定，不同的原子結構顯示出Sn的活性要高于Pb。

　　為何Sn仍將是焊料的基材？
　　由于Pb的有害性而將被取代，然而Sn仍是作用優良的焊料基材而被利用，這是因為Sn和其它許多金屬之間有良好的親和作用，它的熔點低，無毒無公害，特別是在地球上儲藏量大，價格低，因而仍是一種無法取代的焊料基材，因此所謂的無鉛焊料仍是以Sn為基材的焊料，既然Sn的位置已定，從元素周期表來看，任何元素都無法代替Pb而構成類似Sn-Pb合金的焊料。
　　以Bi為例，Bi是除Pb以外離Sn較近元素，Bi是元素周期中排在第Ⅴ主族（氮族）元素的末位，若從周期上看，Bi排在第六周期期第15列與Pb在同一周期，但Pb排在第14列，根據上述的規律Bi與Sn不是同族元素，并且Bi的金屬性比Pb要弱，從元素表中可以了解到Sn、Pb、Bi三者的部分物理常數。

　　看一下元素周期表，很顯然，Bi的非金屬性明顯比Pb強，Bi是菱狀晶體（類似金屬晶體），具有脆性，SnBi合金的導電/導熱性能不及SnPb合金，Bi與Sn有較好的互熔性，但Sn-Bi合金硬度高，延伸性低，不能拉成絲，一句話SnBi合金焊料不及 SnPb合金焊料那樣好。
　　只要將相關金屬的熔點同它們與Sn構成的共晶合金比例進行比較，就會發現有一個有趣的規律，即隨著金屬熔點的降低或者更準確地說，隨著金屬熔點向Sn熔點的靠近，這些金屬與Sn的共晶成份的比例就明顯提高，這也形象地驗證了“相似相融”的原則。

　　挑選合金配方不是改進無鉛焊料性能的唯一方法
　　已開發出來的Sn-Zn、Sn-Ag、Sn-Cu合金等無鉛焊料的部分性能，特別是焊接性能尚達不到Sn-Pb焊料的水平，這與它們在元素周期表中的位置以及原子結構有著密切的關系。
　　盡管人們很難找到一種合金其性能完全取代Sn-Pb焊料，但人們通過大量的研究，Sn-Ag-Cu系無鉛焊料除了熔點高，可焊性差和價格高以外，其它性能如機械性能/抗疲勞性能已超過Sn-Pb焊料，無鉛焊料可焊性差的原因，在于Ag、Cu等金屬易于同Sn化合成IMC，如Cu6Sn5，Ag3Sn，它們抑制了Sn的流動性。而錫鉛元素在元素周期表中排列均是Ⅳ類主族元素，排列很近，它們之間互熔性良好，并且合金本身不存在金屬間化合物, 故Sn-Pb焊料流動性好。

　　無鉛焊料的表面張力大，焊接時潤濕角大，其改善的辦法在于一方面在上述合金中可以添加微量金屬，以改善無鉛焊料的易氧化性達到降低其表面張力（目前這方面已有明顯進步），另一方面研制一種性能優良的助焊劑，以增強焊料的可焊性能。
　　這意味著也會降低它們的焊接溫度,比如無鉛錫膏中助焊劑采用烯羥基化合物，它是一種獨特的樹枝狀聚合物（Ploy-edndnimer）活化劑，它不僅可增強焊膏的防潮性能，有效地消除焊膏飛濺和排氣效應，同時具有有機金屬熬合作用，可熬合多種金屬離子（Cu2+,Ni2+ PbAg），這樣再流焊時，這類的助焊劑可以有效地熬合著各種Ag3Sn ,Cu6Sn5等金屬間化合物，這類的樹枝狀聚合物熬合劑起始溫度約為140℃，起熬合作用的溫度在180℃，從而起到有利于Sn原子的潤濕性，達到降低無鉛焊料的表面張力，增加焊料可焊性的作用。
　　此外，新型的助焊劑還使得配成的錫膏不易粘著模板與刮刀，有利于錫膏滾動性和離網性，并保證錫膏能迅速地與刮刀，模板窗口分離。
　　目前的一種觀點是：無鉛焊料的焊接溫度定義在“焊料的熔點+10℃”，以Sn-3.5Ag-0.9Cu為例，它的熔點為218℃，加上10℃為228℃，以230℃的溫度來焊接，這幾乎同Sn-Pb焊料的焊接性能差不多。通常助焊劑是有機化合物，它可以通過合成的方法來得到，這比創造出一個新元素要方便得多。因此無鉛焊料的前途可通過尋找微量元素、改善焊料的綜合性能、以及研制新型的助焊劑以提高焊料的焊接性能。盡管已有的無鉛焊料尚未完全達到Sn-Pb焊料的綜合性能，但這并不能阻礙電子制造無鉛轉換的進程。
　　元素周期表揭示了一種元素不同于另一種元素的根本原因在于它們的原子核電荷數有差別，元素的核電荷數等于它在元素周期表中的位號數，并且元素以及由它所形成的單質和化合物的性質，隨著元素的原子序數（核電荷數）的依次遞增呈現周期性的變化，物質在不同條件下表現出的各種性質，不論是物理的還是化學性質都與它們的結構有關。

　　元素周期表中有七個橫行，表示七個周期，表中共有十八個縱行，分別列出各類元素（103種），其中標有ⅠA~ⅦA的為第一類~ 第七類主族元素，標有Ⅷ的為第八類元素，標有0的為零類元素，即稀有氣體，所有副族元素都在標有ⅠB～ⅦB的各縱行中。元素周期表給人們提供了下述規律：
　　首先，盡管地球上物質非常豐富，但構成物質的基本元素僅有103種，去除非金屬元素、強活性金屬、放射性元素、有害元素而真正能用于電子產品焊接材料的元素是屈指可數的。
　　其次，元素周期表中同一族的主族元素從上而下起非金屬性能減弱，而金屬性能增強，但位于主族末端的元素由于核電荷數的增加又會抑制其元素的金屬性能，而在同一周期中，元素自右向左則由典型的金屬元素過渡到非金屬元素。
　　另外，金屬之間的熔合程度通常取決于它們的原子半徑、元素周期表位置和晶體類型等因素。通常情況下，如果兩種金屬在周期表中的位置接近，晶格類型相同，電子結構相似，原子半徑差異不大，則它們的互熔程度會更高，俗話說：“相似相融".