METAL MATERIALS AND M ETALLURGY ENGINEERING
张子文匕涂敏0，石星3，陈丽园12，沈强1
(1.南华大学土木工程学院，湖南衡阳421001; 2.南华大学建筑环境控制技术湖南省工
程实验室，湖南衡阳421001; 3.湖南大学土木工程学院，湖南长沙410012)
摘要：采用正交实验优化设计方法和差示扫描量热（DSC)仪进行焊料最优配比的研究，对不同配比下 磷化液配方
锡、铅、锌(Sn-Pb-Zn)焊料的熔点、比热容等进行分析，探究三种元素对焊料热物理性能影响的主次关系。 通过对实验结果的对比分析，得到铅(Pb)的配比对提高焊料的热物理性能起到重要作用。探究不同配比下
的铅（Pb)对焊料热物理性的影响。在本研究中影响焊料熔点及融化热量的主要影响因素为铅（Pb)的含量，
次要影响因素为锡(Sn)的含量；本实验Sn-Pb-Z n焊锡料的最优配比为Sn取80%, P b取8.6%, Z n取11.4%。
关键词：Sn-Pb-Z n焊料；正交实验；热物理性；无铅焊料
中图分类号：TG42 文献标识码：A文章编号：2095-5014 (2021) 01-0023-07
Research on the Optimal Proportion of Solder Based
on DSC Experiment
ZHANG Ziwen1-2,TU Min12*,SHI Xing3,CHEN Liyuan1-2,SHEN Qiang1
(7. School of Civil Engineering,Nanhua University，Hengyang421001,China；
2.Hunan Engineering Laboratory of Building Environment Control Technology9双向丝杆
Nanhua University y Hengyang421001,China；3.School of Civil Engineering,
Hunan University,Changsha410012, China)
ABSTRACT：The optimum proportion of solder was studied by orthogonal experiment design method and differential scanning calorimeter(DSC).The melting point and specific heat capacity
of Sn-Pb-Zn solder under different ratios were analyzed,and the primary and secondary relations of the three elements on the thermal physical properties of solder were explored.Through
the comparative analysis of the experimental results,it is concluded that the ratio of lead(Pb) plays an important role in improving the thermal physical properties of solder.The effect of lead (Pb)on the thermal physical properties of solder was investigated.In this study,the main influencing factor of solder melting point and melting heat is the content of lead(Pb),and the secondary factor is the content of tin(Sn).The optimal ratio of Sn-Pb-Zn solder is 80%Sn,
8.6% Pb and 11.4% Zn.
K E Y W O R D S：Sn-Pb-Zn solder；orthogonal experiment；thermophysical property；lead free solder
收稿时间：2020-10-23
基金项目：湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（项目名称：基于D SC技术与数理统计方
法的电子封装焊料最优配比研究；项目编号：337)
第一作者简介：张子文（1996—），男，硕士，主要研究方向为辐射供冷。
随着我国经济的高速发展，电子产业的规 模也日益扩大。研发高可靠性的焊料是电子电 气工业中最重要的课题之一[1]。导电性好是电子 连接的基本要求，除此之外还需具备优异的电 性能、热性能，光洁度、可靠性高，轻薄、便 于安装和使用，具性价比等[2]。
Sn-Pb 合金由于熔点低、储量丰富、性能优 良、价格低廉和易获得而成为低温焊料中最重 要的焊料体系W 。铅作为一种重金属，锡-铅 (Sn -Pb )焊料在广泛使用的同时，会直接影响操 作人员的身体健康，且对人类生态环境污染极 大，许多国家开始出台法令限制有铅焊料的使 用[4—5]。研究开发新型优质的绿环保型无铅焊 料，积极优化工艺，提高产品质量、可靠性， 对我国环保、人民生活健康及电子封装产业均 有重要的意义[6]。关于焊锡料的物理性能及制作 方法，许多学者进行了探究，不仅提出了较为 简易的焊料制作方法，同时对焊锡料的物理性 能进行了不同方面的研究〜w]。
目前关于焊锡料配比的研究还存在以下 问题：
(1) 对于不同的工艺需求，尚未产生与其 功能相匹配的焊锡料设计。
(2)
尚无高可靠性的焊料、良好热力学性
能的无铅焊料被广泛的应用于市场中。
1实验
本实验采用差式扫描热量仪(DSC )对其进行
研究。D SC 方法可以研究材料的熔融与结晶过 程、玻璃化转变、相转变、液晶转变、固化、 氧化稳定性、反应温度与反应热焓，测定物质 的比热、纯度，研究混合物各组分的相融性， 计算结晶度、反应动力学参数等[11]。本实验首 先对不同配比下S n -P b 合金的熔点及吸收热量 值进行测量，并以此数据为正交试验设计提供 基础参考值。其次对不同金属进行对比，综合 考虑选取Z n 为无铅化代替元素，制作不同配比 下的Sn -Pb-Zn 合金，进行正交实验，从而探究 在Sn -P b-Z n 合金中的主要、次要影响因素，并 讨论无铅焊料的可行性。1.1实验材料与设备
D SC 差示扫描量热仪、电子秤、熔炉、坩
埚等，并准备一定量的Sn 、Pb 、Z n 材料，根据 实验要求利用电子秤进行取样。1.2 实验方法 1.2.1实验设计
为探究其他材料的加入是否有实现无铅化 焊锡料的可能性，基于不同的金属性能，对Sn - Pb -Z n 配比下的焊料实验进行正交设计，其中三 个主要因素为Sn 、Pb 、Z n 的含量，每个因素取 3个水平做实验。
进行正交实验之前通过基础实验，对含锡 料60%~90%的Sn -P b 样品利用差7K 扫描量热 仪，使其处于一定的温度程序（升)控制下，观察 其热流功率随时间的变化过程，并进行二次凝 固加热，观察第二次的峰值及熔化所需热量， 得到一系列基础数据；分析可知，含锡量60% 时其第一、二次升温所吸收热量，明显高于含 锡量(Sn )为70%、80%及90%三组吸收的热量。
故本文选取70%、80%和90%的锡（Sn )含量 作为正交实验基础。同时引人锌(Zn )元素，从而降 低合金中的含铅(Pb )量，Z n 的含量根据S n 和Pb 的含量待定，各因素与水平表如下表1所示。用
L 9(34)正交表安排实验，实验安排如表2所示。表1因素与水平表Table 1
Factor and level
水平
因素S n 的含量/%P b 的含量/% Z n 的含量/%
1A 1=70B l =152A 2=80B 2=10 —3
A 3=90
B 3=5
1.2.2实验过程(1)
取样：根据实验安排，分别对样品锡、
铅、锌进行取量，利用精度为0.1 m g 的电子秤 对样品进行称量（注：实验设备最大承重范围 为10mg ，所以样品总质量规定为10mg )。
(2) 放置：将承重、配比范围内的样品分 别放置于坩埚中并置于传感器盘上。
(3) 测试：在炉体内对其进行线性升温，当 样品产生热效应时，在计算机上得到DSC 图谱。(4)
分析：对得到的D S C 图谱进行分析，
并记录每组数据下对应的熔点。
表2正交实验安排表
Table 2 Orthogonal experiment design
列号因素实验号
1
A
S n的含量/%
2
B
P b的含量/%
3
C
Z n的含量/%
11(70)1(15)1(15)
22(10)2(20)
33(5)3(25)
42(80)1(15)1(5)
52(10)2(10)
63(5)3(15)
73(90)—1(10)
82(10)2(0)
93(5)3(5)
注：A、B、C分别表示Sn、Pb、Z n的含量水平，1、2、3为水平序号，Z n含量根据S n和P b含量而定。
2结果与讨论
2.1实验图形与数据
正交实验初步实验数据记录如表3所示。
正交实验D S C图形如图1所示，其中 图1(a)~(d)分别为实验1，2, 3, 4所得DSC 谱阁，（e)~(g)分别为实验7, 8, 9所得D SC谱 图，图2为实验1、2、3的对比图。
通过图1(c)可以发现，随着含P b量的降低，含Z n量的增加，会出现波折较大的曲线，此类 现象表示合金样品的比热容在发生剧烈变化。由此可知随着P b含量的降低，合金样品的热稳定性会受到影响，在实际电气工程的应用中，可能会存在形变、熔化或者断裂等风险。
除此之外，通过图1的（e)~(g)发现，在含 S n量90%的情况下，高锡浓度会保证合金的稳定性，此时P b含量的降低对其比热变化的影响不大；并且在该组实验中，出现了第一个无铅化样品和其结果，如图1(e)所示。通过D S C图谱，可初步判断，Sn90Znl0配比的合金除熔点较高外，合金稳定性基本可以保证，这也为我 们后续无铅化的研究提供了依据。
2.2主要影响因素分析
对计算数据首先利用直观分析法进行分析。通过计算Sn、Pb、Z n在不同含量水平下的平均熔点，得出极差，并分析比较各因素对合金熔点的影响程度。
2.2.1 熔点影响因素分析
首先将实验数据中的熔点数据提出，其中 T l、T2、T3分别指各因素同一水平结果之和；T l'、T2'、T3'指各个因素在每一水平下的平均熔点；R指极差，可确定各因素的重要程度，R 越大则该因素对结果的影响程度越大。熔点影 响因素分析见表4，因素水平趋势图见图3。
通过对数据和图形的直接观察，我们可以 得到：（l)S n的含量越大，则熔点会越高；（2)Pb 的含量对熔点的大小影响最大，故可将B曲线提 出做线性回归分析，得到图4。
表3 初步实验数据记录表
Table 3 Preliminary experimental data record
列号因素实验号
1
A
S n的含量/%
2
B
P b的含量/%
3
C
Z n的含量/%
熔点/c吸收热量/(j/g)
11(70)1(15)1(15)17568.69 22(10)2(20)188.561.76 33(5)3(25)195.240.44 42(80)1(15)1(5)174.359.78 52(10)2(10)190.352.31 63(5)3(15)195.445.3 73(90)—1(10)205.559.64 82(10)2(0)217.943.82 93(5)3(5)192.765.25
300250
200
15010050gsm模块
时间/min
300250
200
S
150 >
10050
300250200150
100
50
r5时间/min
300250
|a 200
L
150 d
10050
10
20
30
40
50
60
时间/min
300250
200嚣
150 >
100
50
d
300 250
200 g 150
100
50
10
20
30
40
50
60
时间/min
图1 DSC 谱图 Fig.l Spectrogram of DSC
20
30
40
时间/min
50
60
图2 实验1、2、3叠加对比表4 炫点影响因素分析表
Table 4 Analysis of factors affecting melting point
溫度/V
o o
o in C N r H
A/°C
B /V .
C/°C
T 1558.7(15)349.3(15)370.4100T 2560596.7(10)395.850
T 3616.1583.3(5)3670
T r 186.2174.7185.2T 2,186.7198.9197.9T 3,205.4194.4183.5R
19.2
24.2
12.7
of experiment 1，2 and 3
/v y//,/y g cf cf %<•^ ^^
金属含量/%
图3 因素水平趋势图（影响熔点）
Fig.3Factor level trend chart
210
+ B
—对数（B)
150----------1-----------1----------1----------
15 10 50
Pb含量/%
图4 B拟合曲线
Fig.4 B fitting curve
2.2.2吸收热量影响因素分析
利用分析熔点的方法，计算各因素在不同含量水平下熔化所吸收的平均热量，求得极差，可以得到表5及图5，分析比较各因素对合金熔 化所吸收热量的影响程度。
表5 吸收热量影响因素分析表
Table 5 Analysis of influencing factors
of heat absorption
A/J B/J C/J
T1170.89(15)128.47(15)113.99
T2157.39157.89(10)111.95
T3168.71150.89(5)125.03
T1，56.9664.2456.99
T2,52.4652.6355.98
T3,56.2450.362.52
R 4.513.94 5.53
金属含量/%
图5因素水平趋势图（影响吸收热量）
Fig.5 Factor level trend chart
水化硅酸钙通过对数据和图形的直接观察，我们可以得到：P b的含量对熔化所需吸收热量的大小影响最大，故可将B曲线提出做线性回归分析，得到图6。B曲线拟合误差较小，故以B曲线为 主，计算得到当P b的含量为8.6%时，该合金熔 化所需要吸收的热量最少，其值为50.01 J。与 此同时，其熔点为197.41。
Pb含量/%
图6 B拟合曲线
Fig.6 B fitting curve
2.3次要影响因素分析
通过直观分析法以及线性回归，到了影响熔点及吸收热量的最主要因素，并推算出其在合金中较佳的占比，现探究影响合金熔点及吸收热量的次要影响因素。半轴套管
6aaaa
剔除P b影响因素，对剩余两个因素进行离差平方和求解，构造F统计量，生成方差分析表，对其影响效果进行一定的分析，剔除B后 利用EXCEL制作的方差分析表如表6所示。
