Sn-Zn钎料合金的熔点在无铅钎料中与Sn-Pb共晶钎料合金的熔点最为接近，而且力学性能良好，原材料价格便宜，其实用性在不断增加。但Sn-Zn基钎料存在许多不足，如润湿性较差，焊点耐蚀性较低等一系列问题，这些问题都必将引起人们的研究兴趣。
图3-4-45所示为Sn-Zn合金的二元合金相图，可以看出，Sn-Zn二元合金是标准的二元共晶合金。在β-Sn中可溶解少量的Zn，形成β-Sn（Zn）固溶体，但Sn几乎不溶入Zn中。以Sn为溶剂原子不断添加溶质原子Zn，将不断降低合金的熔化温度。当Zn的质量分数等于9%时，合金得到完全共晶的组织β-Sn+Zn，共晶温度为198℃。在平衡凝固条件时，Zn以针状分布在β-Sn基体上，如图3-4-46所示。Sn和Zn不会反应，都是以单质元素存在，如果Zn的质量分数继续增加，合金的熔化温度将大大增加。因此作为钎料合金，一般Zn的质量分数都选择为9%或以下。在Sn中加入Zn可使合金的强度指标提高，但塑性指标降低。
图3-4-45 Sn-Zn二元合金相图
图3-4-46 Sn-9Zn合金显微组织
在Sn-Zn系合金中添加Bi不会形成特别的金属间化合物，Bi可使熔化温度降低，同时使合金硬度增加，不应该添加过多，一般添加量为3%（质量分数）。添加Bi使共晶点向低Zn侧迁移，如图3-4-47所示，目前公认的可作为钎料使用的配方为Sn-8Zn-3Bi。
表3-4-6为Sn-9Zn钎料和Sn-37Pb钎料的物理性能比较。可以看出，两者电阻率相差不大，但热导率却相对较高，热膨胀系数也比Sn-37Pb要大，但这些差别都不是太大。最为显著的是Sn-9Zn的表面张力大大超过Sn-37Pb，因此钎焊时的润湿铺展性大大低于Sn-38Pb钎料合金，这是造成Sn-9Zn钎焊工艺性能不好的主要原因。
图3-4-47 Sn-Zn合金中添加Bi时的垂直截面（计算）
表3-4-6 Sn-9Zn钎料合金的物理性能
表3-4-7为Sn-9Zn钎料合金和Sn-38Pb钎料合金的力学性能比较。从表3-4-7可以看出，和Sn-38Pb钎料合金相比较，Sn-9Zn钎料合金由于Zn的加入，合金的强度指标大幅提高，塑性指标大幅降低。从Sn、Zn、Pb的晶体结构分析：Sn为体心立方结构，Zn为密排六方结构，Pb为面心立方结构，因此Zn的强化作用大于Pb。Pb加入到Sn中并不能使Sn基体得到强化，反而使其塑性指标提高，这就是Sn-Pb基钎料合金塑性好的原因。它们可以组成任意的Sn和Pb的组合作为钎料使用，在共晶范围内熔化温度变化也不是太大。
Zhou等研究了Sn-9Zn钎料的润湿性及添加Bi的影响并和Sn-40Pb钎料进行了比较，如图3-4-48所示，在240℃，采用松香钎剂时，Sn-9Zn钎剂的润湿铺展面积远小于Sn-40Pb钎料。随着Bi含量的增加，润湿性得到改善，但还是远低于Sn-Pn钎料，这表明Sn-Zn基钎料的润湿铺展性是比较差的。
表3-4-7 Sn-9Zn钎料力学性能
Loomams等人在相同试验条件下，温度为250℃时，测得Sn-9Zn钎料的润湿角为59°，Sn-3.5Ag的润湿角为38°，说明Sn-Zn基钎料的润湿性在现阶段的所有无铅钎料中是最差的。它不仅远低于传统的Sn-Pb钎料，而且低于现有的Sn-Ag、Sn-Cu无铅钎料，这和Zn的化学活性较大及界面反应产物的影响有关。因此研究适合Sn-Zn基钎料的专用钎剂显得尤为重要。
图3-4-48 Bi含量对Sn-9Zn钎料铺展面积的影响
Shohji等人研究了应变速率和温度对Sn-8Zn-3Bi钎料的力学性能的影响，并和Sn-37Pb钎料进行了比较，如图3-4-49、图3-4-50所示。结果表明：随着应变速率的增加，Sn-8Zn-3Bi钎料的抗拉强度增加，增加趋势和Sn-37Pb钎料增加的趋势基本相同。伸长率降低，但Sn-37Pb钎料降低的趋势大于Sn-8Zn-3Bi钎料，这说明Sn-8Zn-3Bi钎料的伸长率对应变速率不敏感。随着温度的增加，抗拉强度下降，伸长率增加。在-40℃时Sn-8Zn-3Bi钎料的抗拉强度达到120MPa，远超过Sn-37Pb钎料，120℃时的强度差就比较小了。和Sn-37Pb钎料比较，Sn-8Zn-3Bi钎料伸长率随温度的变化较小。
图3-4-49 应变速率对Sn-8Zn-3Bi钎料力学性能的影响
图3-4-50 温度对Sn-8Zn-3Bi钎料力学性能的影响
蠕变试验的结果为：Sn-8Zn-3Bi钎料在高载荷时蠕变特性和Sn-3.5Ag钎料合金相同，在低载荷时和Sn-0.7Cu钎料合金相同，Sn-8Zn-3Bi钎料的蠕变性能好于Sn-37Pb钎料。
Sn-Zn基钎料合金由于Zn是以单质的形式存在于焊点，并且活性较高，因此焊点的耐蚀性一直是人们关心的问题。Suganuma等人研究了Sn-9Zn、Sn-8Zn-3Bi钎料合金在高温、高湿环境下焊点的耐氧化腐蚀性（图3-4-51）。在高温、高湿环境中（85℃/85%RH，1000h），Sn-Zn基钎料合金中的Zn将会氧化，形成ZnO。ZnO的出现位置主要在焊点表面及钎料和IMC的交界面。随时间的延长，ZnO的厚度增加，当钎料合金中含Bi时，加剧Zn的氧化。这是由于添加Bi导致初生的Zn和共晶反应时的Zn相更加粗大所致，因此Sn-Zn基钎料的高温、高湿环境腐蚀是其应用的一大障碍。
图3-4-51 Sn-8Zn-3Bi焊点氧化后形貌（85℃/85%RH，1000h）
a）焊点界面 b）焊点表面
总之，Sn-Zn基钎料由于有低的熔化温度、好的经济性及综合力学性能一直以来备受人们的关注，通过研究合适的钎剂来提高钎料的润湿性、通过合金化改善钎料的耐蚀性和界面的可靠性是今后研究的重点。
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