適應(yīng)于高工作溫度高性能無(wú)鉛合金的新發(fā)展

1、適應(yīng)于高工作溫度高性能無(wú)鉛合金的新發(fā)展無(wú)鉛工藝現(xiàn)在看起來(lái)像是昨日舊聞，整個(gè)電子行業(yè)已經(jīng)普遍接受并使用SnAgCu（SAC）合金。但是，在某些市場(chǎng)，現(xiàn)在主導(dǎo)的SAC合金配方仍然遇到一些挑戰(zhàn)。雖然SAC合金已經(jīng)證明是很有價(jià)值的無(wú)鉛材料，可以滿足大多數(shù)終端電子產(chǎn)品的需要，但是，對(duì)那些要求工作高溫和可靠性特別高的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的SAC無(wú)鉛材料從沒(méi)有獲得巨大成功。特別是汽車引擎罩下使用的部件，它們要求的熱循環(huán)可靠性（>125°C）超出了現(xiàn)有SAC合金所能達(dá)到的性能，而且也很難將這樣的應(yīng)用和現(xiàn)在通用無(wú)鉛焊料的性能匹配起來(lái)。對(duì)于這些應(yīng)用，傳統(tǒng)錫鉛焊料的熔點(diǎn)太低，而且它們的使用也會(huì)越來(lái)越受限制。S

2、AC合金的熔點(diǎn)的確較高，但它們?cè)诟邷毓ぷ鳝h(huán)境下的可靠性不如錫鉛合金。 高性能高工作溫度的無(wú)鉛合金(在業(yè)界叫InnoRel-InnoLot)是SAC合金系統(tǒng)添加少量的銻、鉍和鎳等合金元素。添加微量元素的目的是增強(qiáng)合金的強(qiáng)度及提高抗蠕變強(qiáng)度。一個(gè)由終端產(chǎn)品制造商、學(xué)術(shù)界和材料供貨商的電子行業(yè)專家共同組成的研發(fā)小組著手開(kāi)發(fā)一種新的合金，結(jié)果顯示在1250C的工作溫度下焊點(diǎn)的可靠性有非常顯著的改善（對(duì)于SAC和SnPb來(lái)說(shuō)），尤其是陶瓷零件封裝。除外，這種合金可以工作在1650C的環(huán)境下，而傳統(tǒng)的SAC 合金最高的工作溫度不可以超過(guò)1250C。隨著車載電子產(chǎn)品的應(yīng)用不斷提升，對(duì)于產(chǎn)品的可靠性要求也不斷

3、增強(qiáng)。許多SENSORS 和CONTROLLER都是安裝在高工作溫度及冷熱交互變化的部位。這些嚴(yán)苛的環(huán)境要求對(duì)于錫鉛合金的性能有很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)SAC合金也是苛刻的。鑒于這些挑戰(zhàn)， 研發(fā)小組著手開(kāi)發(fā)一種新的合金。它能夠滿足或者超過(guò)汽車用產(chǎn)品的高溫、高可靠性要求，同時(shí)還可以在合理的溫度下進(jìn)行焊接。該合金要達(dá)到的目標(biāo)如下：_ 材料必須無(wú)鉛,_ 能夠在高達(dá) 165°C的溫度下工作,_ 焊點(diǎn)能夠承受1000次從 -55°C 到150°C的熱循環(huán),_ 可以在220°C 或更低溫度下回流焊接,_ 符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，價(jià)錢(qián)有競(jìng)爭(zhēng)性。新合金開(kāi)發(fā)小組認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)的三元相

4、合金不可能達(dá)到上述要求，有必要采取一種多元相混合合金的方法。通過(guò)分析了各種合金元素，最后選出既能提高抗蠕變性，又能達(dá)到可接受熔點(diǎn)溫度的三種元素：鉍（Bi）、銻（Sb）和鎳（Ni）。合金 組成元素 每選擇一種添加元素都會(huì)使合金的整體性能發(fā)生某種變化：鎳（Ni）只能少量溶解于錫并形成層，可以提升焊點(diǎn)的強(qiáng)度，但是提高合金的熔點(diǎn)溫度；銻（Sb）可以溶解于錫中并提升合金的強(qiáng)度，但是也會(huì)提升合金的熔點(diǎn)溫度；鉍（Bi）可以溶解于錫中并提升合金的強(qiáng)度，但是可以降低合金的溶點(diǎn)溫度，足夠于補(bǔ)償Ni和Bi添加所造成的溫度提升。合金組成如圖表-1所示，它的熔點(diǎn)范圍是2062180C，它的工作溫度可高達(dá)1650C。和大

5、多數(shù)的SAC合金一樣， 大多的銅或鎳會(huì)影響液態(tài)合金的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性能，尢其是在波峰焊接或選擇性制程要重點(diǎn)關(guān)注，在焊接過(guò)程中通常銅和鎳會(huì)聚集在一起作為合金融解于PWB和零件表面，含鉍(Bi)的合金不可以受到鉛(Pb)焊錫或鍍層材料的污染。否則會(huì)形成SnPbBi的界面合金層，這種合金組織的熔點(diǎn)只有960C，雖然合金中只有3%的鉍不可能形成完整的焊點(diǎn)，但是當(dāng)工作溫度超過(guò)960C時(shí)會(huì)減弱整個(gè)焊點(diǎn)的強(qiáng)度，因此在整個(gè)焊接過(guò)程中需確保不存在有任何鉛(Pb)的污染。結(jié)構(gòu)硬化添加合金元素可以通過(guò)如下2種硬化方式的其中一種來(lái)達(dá)到改善焊接的抗蠕變性能，一種是播散硬化，另一種是固溶體硬化。 播散硬化，也叫作沈淀硬化，

6、發(fā)生于未溶解于Sn中的元素-Ni-，這樣， 形成金屬間化合相經(jīng)快速冷卻后來(lái)提升它的強(qiáng)度，如下圖-1所顯示的。Fig-1:播散硬化的圖示固溶體硬化，發(fā)生于添加的元素Sb和Bi溶解于Sn固溶體中來(lái)提升它的強(qiáng)度，如下圖-2所顯示的。Fig-2:固溶體硬化的圖示微觀結(jié)構(gòu)Fig-3:傳統(tǒng)的SAC合金微觀結(jié)構(gòu)Fig-3顯示Sn的基體中（Sn matrix）包括有Ag3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物， 此化合物散布在整個(gè)的Sn基體中。Fig-4:變更的SAC合金微觀結(jié)構(gòu)更改的SAC微觀結(jié)構(gòu)示圖（Fig-4）顯示在Sn的基體中有Sb和Bi溶解于其中， 并且包含有Ag3Sn和(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物。

7、Fig-5:SAC405與更改的合金經(jīng)熱循環(huán)后剪切力的比較性能分析添加合金元素相對(duì)于SAC和有鉛合金來(lái)說(shuō)可以提升其強(qiáng)度，F(xiàn)ig-5是貼裝0402到1206等幾種零件經(jīng)-400C-1650C熱循環(huán)后測(cè)試的剪切力的結(jié)果，這種6元合金性能超過(guò)傳統(tǒng)的SAC合金， 尢其是在重復(fù)的熱循環(huán)后其，剪切強(qiáng)度的耐久性比SAC合金好的多。Fig-6 幾種合金在熱循環(huán)后剪切力的比較Fig-6顯示多元合金剪切力測(cè)試的結(jié)構(gòu)，采用1206的陶瓷電容焊接于Sn的表面處理，結(jié)果表明6元合金的性能都超過(guò)其它合金。經(jīng)過(guò)1000次的熱循環(huán)（-400C-1650C），6元合金仍保持有80%的初始剪切強(qiáng)度， 相比來(lái)說(shuō)， 傳統(tǒng)的SAC合金

8、只有50%， 經(jīng)過(guò)2000次的熱循環(huán)（-400C-1650C），6元合金仍保持有70%的初始剪切強(qiáng)度，相比來(lái)說(shuō)，SAC305, SAC405, SAC409平均只有20%。SAC+Bi+Sb+Ni合金的概要說(shuō)明這種合金不管是應(yīng)用在普通的操作環(huán)境還上高溫的操作環(huán)境，在可靠性方面都得到瞭大大的提升。連接陶瓷零件與EPOXY基材的焊點(diǎn)的可靠性很大程度依賴于2者的受熱膨脹的程度， 陶瓷零件具有較低的熱膨脹系數(shù)（CTE）， 相對(duì)來(lái)說(shuō)，EPOXY-GLASS PCB 具有較高的CTE。當(dāng)PCB 受熱時(shí)， 基板的熱膨脹比所焊接的零件的熱膨脹大的多， 因此，這個(gè)熱膨脹的不協(xié)調(diào)使焊接點(diǎn)有剪功壓力和應(yīng)力存在。在經(jīng)

9、過(guò)多次的熱循環(huán)后，焊接點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象， 裂痕開(kāi)始產(chǎn)生，并且剪切強(qiáng)度開(kāi)始下降，有時(shí)焊接會(huì)發(fā)生完全的不良。具有提升抗蠕變性能的6元合金可以比傳統(tǒng)的SAC合金更好地調(diào)節(jié)CTE 的不協(xié)調(diào)，主要有如下2方面的好處： 1 在普通的1250C操作條件下，長(zhǎng)期使用的可靠性得到很大的改善；2 在超過(guò)1650C的高溫操作條件下，長(zhǎng)期使用的可靠性也是可行的。這種合金可以提供良好的可靠性及適應(yīng)生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，以維持成本及現(xiàn)有制程的兼容性。，它提供瞭比Tin-Lead合金更高的工作溫度，比傳統(tǒng)的Lead-free合金較低的熔點(diǎn)溫度，并且比之兩者都具有更好的可靠性。因此，對(duì)于類似于汽車引摯罩等的汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，這種合金

10、是最佳的選擇。但同時(shí)， 這種合金也面臨著一些挑戰(zhàn)。正如前面所討論， 鉛（lead）的混合污染是一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)，但是假如在整個(gè)供應(yīng)鏈中可以減少鉛的含量及可以相對(duì)減少焊錫合金中鉍(Bi)的含量，那個(gè)這個(gè)問(wèn)題是可以忽略的。除外，與6元合金相關(guān)的其它方面的挑戰(zhàn)包括對(duì)Cu和Ni含量增加的敏感性、在波峰焊接制程中不適合使用、在選擇性焊接中控制要求多、在手焊及點(diǎn)焊中的局限性及對(duì)于混合電路的陶瓷機(jī)板是沒(méi)有實(shí)際改善效益的等等。一些挑戰(zhàn)是可以克服的，另一些則依合金配方的問(wèn)題一直存在著。在波峰焊或選擇性焊接制程中， 是有一些限制要求，特別要留意的是Ni的含量，一般合金中會(huì)有0.15%的Ni,如果這種合金使用在波峰

11、焊或選擇性焊接制程，制程溫度達(dá)到3000C，合金會(huì)作充分的溶解，這時(shí)形成金屬間化合物是沒(méi)有問(wèn)題的。 但是制程溫度較低時(shí)，依據(jù)合金元素聚集濃度的不同，金屬間化合物會(huì)受到一定程度的隔離。例如，當(dāng)制程溫度在2650C時(shí)， Ni的含量少于0.7%是穩(wěn)定的， 但是當(dāng)超過(guò)0.7%時(shí)，那么多余的Ni會(huì)沈積到金屬間化合物中直到達(dá)到平衡狀態(tài)。Fig-7:Tin-Lead 相限圖合金的溶點(diǎn)是受Ni 和Cu 的含量影響的，Ni的添加改變瞭整個(gè)合金的溶點(diǎn)溫度，如Fig-7所顯示綠色的打點(diǎn)線。選擇性焊接比起波峰焊接相對(duì)要容易些，主要表現(xiàn)在如下2點(diǎn)：較低的制程溫度和制程精確的接觸面積可以限制溶解到錫點(diǎn)中Cu, Ni的量，除外， 錫槽保持在3000C以上的制程溫度也是較容易控制的，這也是選擇性焊接制程普通的要求。 還有一種方式可以選擇的是， 采用Pin in Paste ，手焊或自動(dòng)點(diǎn)焊的方式來(lái)進(jìn)行通孔零件的焊接。從過(guò)往的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，手焊或點(diǎn)焊對(duì)于這種多元合金也會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)。但是新的錫絲的制造工藝現(xiàn)在可以克服這個(gè)問(wèn)題。總結(jié)