無鉛焊料合金

1.對無鉛焊料合金的要求

要求無鉛焊料合金的熔點、物理性能、化學(xué)性能、冶金性能、機(jī)械強(qiáng)度及可制造性等各方面盡量與傳統(tǒng)的SnPb共晶合金相接近。具體要求如下

①合金成分中不含鉛或其他對環(huán)境造成污染的元素。

②合金熔點應(yīng)與SnPb共晶合金相接近,在180~230℃之間。
③有較小的固液共存溫度范圍,凝固時間要短,有利于形成良好的焊點。
要求無鉛合金具有較小的固液共存溫度范圍,非共晶合金會在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內(nèi)凝固,大多數(shù)冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內(nèi),以便形成良好的焊點,減少缺陷。如果合金凝固溫度范圍較寬,焊點凝固時有可能會發(fā)生焊點擾動、開裂,使焊點提前失效,影響電子設(shè)備的可靠性。

④具有良好的物理特性,如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、潤濕性、表面張力等。導(dǎo)電性是電子連接的基本要求;導(dǎo)熱性是為了能散熱,合金必須具備快速傳熱能力;潤濕性和表面張力是軟釬焊特性對焊料合金的基本要求;還要求焊料合金能夠與常規(guī)免清洗焊劑一起使用。

⑤具有良好的化學(xué)性能,如耐腐蝕、抗氧化性好,不易產(chǎn)生電遷移等。
⑥合金的冶金性能良好,與銅、銀一鈀、金、42號合金鋼、鎳等形成優(yōu)良的焊點,焊點的機(jī)械性能(如強(qiáng)度、拉伸度、疲勞度)良好。并要求容易拆卸和返修
⑦焊接過程中生成的殘渣少
⑧具有可制造性,容易加工成焊球、焊片、焊條、焊絲等形式。
⑨成本合理、資源豐富、便于回收。
2.目前*有可能替代SnPb焊料的合金材料
因為Sn能與銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)等金屬(母材)形成合金(金屬間化合物),進(jìn)而實現(xiàn)可靠的電氣、機(jī)械連接,而且其資源豐富,價格便宜。因此,*有可能替代Sn-Pb焊料的無鉛合金是Sn基合金。以Sn為主,添加Ag、Cu、Zn、Bi、In、Sb等金屬元素,構(gòu)成二元、元或多元合金,通過添加金屬元素來改善合金性能,提高可焊性、可靠性。主要有:SnAg共晶合金,Sn-Ag-Cu三元合金,Sn-Cu系焊料合金,Sn-Zn系焊料合金(僅日本開發(fā)應(yīng)用),Sn-Bi系焊料合金,Sn-in和Sn-Sb系合金。
3.Sn-Ag共晶合金
Sn-3.5Ag共晶合金是早期開發(fā)的無鉛焊料,共晶點為221℃
在Sn-3.5Ag二元共晶合金中,Sn中幾乎不能固溶Ag,Sn-Ag所形成的合金組織是由不含銀的純β-Sn和微細(xì)的Ag3Sn相結(jié)成的二元共晶組織。添加Ag所形成的Ag3Sn,因為晶粒細(xì)小,因此Ag3Sn是穩(wěn)定的化合物,改善了合金的機(jī)械性能,其優(yōu)、缺點如下
①優(yōu)點:具有優(yōu)良的機(jī)械性能、拉伸強(qiáng)度、蠕變特性,耐熱老化比Sn-Pb共晶焊料優(yōu)越,延展性比Sn-Pb稍差。因此Sn-3.5Ag共晶合金很早以前就被應(yīng)用在**產(chǎn)品和iC的封裝中。
②缺點:熔點偏高,潤濕性差,成本高。
雖然Sn-3.5Ag是共晶合金,但并不是一下子凝固的,而是先形成樹枝狀β-Sn初晶,然后在其間隙中發(fā)生共晶反應(yīng)、*終凝固,形成纖維狀A(yù)g3Sn
4.Sn-Ag-Cu三元合金
Sn-Ag-C元合金(熔點216-222c)是目前被大家公認(rèn)的適用于再流焊的合金組分,其中Ag含量在3.0%~4.0%(質(zhì)量百分比)、Cu含量在0.5%~0.75%范圍內(nèi)都是可接受的合金。Sn-Ag-Cu合金相當(dāng)于在SnAg合金里添加Cu,能夠在維持SnAg合金良好性能的同時稍降低熔點。Cu和Ag一樣,也是幾乎不能固溶于阝-Sn的元素,所形成的合金組織是由不含Cu的β-Sn和細(xì)微的Ag3Sn、Cu6Sn5相結(jié)成的共晶組織。Sn-Ag-Cu與Sn-Ag不同,其共晶成分還沒有**地確定下來,各國理論界在共晶成分上存在微小的差別。在Sn-Ag合金里添加Cu還能夠減少對焊件(母材)中銅的溶蝕,因此Sn-Ag-Cu合金逐漸成為國際上應(yīng)用*多的無鉛合金;是日本研究的Sn-Ag-Cu三元合金相圖,共晶點成分為Sn-3.24Ag-0.57Cu,共晶溫度為217.7℃。從圖中可以看到,液態(tài)時的成分為阝-Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn。如果在平衡狀態(tài)(即冷卻速度無限慢時)凝固,其結(jié)晶是很規(guī)則的形狀,但實際生產(chǎn)條件下是快速冷卻,是非平衡狀態(tài)凝固的結(jié)晶,Cu與Ag一樣,也是幾乎不能固溶于β-Sn的元素。Sn先結(jié)晶,以枝晶狀(樹狀出現(xiàn),中間夾Cu6Sn5和Ag3Sn,Sn-Ag-Cu合金的凝固特性導(dǎo)致無鉛焊點顆粒狀外觀,由于表面顆粒不均勻,因此無鉛焊點外觀不如SnPb焊點光亮。
5.Sn-Cu系焊料合金
Sn-0.75Cu為共晶合金,共晶點227℃,主要用于波峰焊。
優(yōu)點:Sn-Cu的潤濕性、殘渣的形成和可靠性次于 Sn-Ag-Cu,而成比Sn-Ag-Cu低得多
缺點:過量Cu會在焊料內(nèi)出現(xiàn)粗化結(jié)晶物,造成熔融焊料的黏度增加,影響潤濕性和焊點機(jī)械強(qiáng)度。
改善措施如下:
①添加0.1%的Ag,可改善合金的延伸率
②添加微量Ni,可增加流動性,減少殘渣量
6.Sn-Zn系焊料合金
Sn-8.8Zn為共晶合金,熔點198.5℃,與Sn-37Pb熔點接近。常用的Sn-10Bi-8Zn的熔點為186-188℃,sn-8Zn-5ln-0.1Ag合金的熔點為185~198℃。
①優(yōu)點:有相對較低的熔點:機(jī)械性能好;曾報道Sn-Zn焊料的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于
Sn-37Pb,長期延展性與Sn-37Pb相當(dāng);具有良好的蠕變特性:可拉制成絲材使用:儲量豐、價格低.
缺點:Sn-Zn合金的Zn元素離子化傾向大,Zn極易氧化并易形成穩(wěn)定的氧化,導(dǎo)致潤濕性變差,具有腐蝕性。
改善措施如下:
①通過添加Ag、Cu、in等元素能降低合金熔點,提高其強(qiáng)度和抗腐蝕性;通常添加3%左右Bi來改善潤濕性,但不能添加過多的Bi,因為不僅會降低液相線溫度,還會使合金變硬。
②如果在氮氣中焊接也能改善潤濕性。目前Sn-Zn系的研究重點已轉(zhuǎn)到可用于大氣條件下接的焊劑研究。

7.Sn-Bi系焊料合金
Sn-57Bi為共晶合金,熔點139℃。
Sn-Bi系焊料是以Sn-Ag(Cu)系合金為基體、添加適量的Bi組成的合金焊料。Sn-Bi系焊料能在139~232℃寬熔點范圍內(nèi)形成,合金熔點*接近Sn-37Pb合金,因而工藝相容性較好。含Bi焊料在日本受到特別的厚愛
●優(yōu)點:降低了熔點,與Sn-Pb共晶焊料相近;蠕變特性好,增大了合金的拉伸強(qiáng)度
●缺點:延展性變壞,變得硬而脆;加工性差,不能加工成線材使用。另外,Sn-Bi系存在個致命弱點,即Bⅰ在凝固過程會偏析而造成共晶溶解與Bi的粗化,在焊區(qū)底部形成Bi-rich低溶點相。凝固時,引線和焊料熱縮應(yīng)力對焊區(qū)底部產(chǎn)生拉伸而導(dǎo)致焊區(qū)部提升(焊縫浮起)的現(xiàn)象,也稱為焊點剝離現(xiàn)象 “ Fillet-- Lifting”現(xiàn)象的解釋機(jī)理主要有:焊料本身產(chǎn)生低溫相,焊料與鍍層反應(yīng)生成低溫相,合金固液共存區(qū)過大。
改善措施為:通過添加第三種元素的微合金化使Bi微細(xì)分散,從而改善Sn-Bi合金的性能。
8.Sn-n和Sn-Sb系合金
Sn-in系合金熔點低,蠕變性差,In極易氧化,且In在地球上的儲量**、成本太高Sn-Sb系合金潤濕性差,Sb還稍有毒性。
這兩種合金體系開發(fā)和應(yīng)用較少。

9.目前應(yīng)用*多的無鉛焊料合金

目前應(yīng)用*多的、用于再流焊的無鉛焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)%Ag(0.5~0.7)%Cu是可接受的范圍,其熔點為217℃左右(大約在216~220℃之間).
美國采用Sn3.9%Ag0.6%Cu無鉛合金,歐洲采用Sn3.8%Ag0.7%Cu無鉛合金,日本采用Sn3.0%Ag0.5%Cu無鉛合金。
由于Sn95.8/Ag3.5/Cu0.7無鉛焊料美國已經(jīng)有了磚利權(quán),另外由于Ag含量為3.0%的焊料沒有磚利權(quán),價格較便宜,焊點質(zhì)量較好,因此IC推薦采用Ag含量為3.0%(質(zhì)量百分比)的Sn-Ag-Cu焊料
Sn-0.7Cu或Sn-0.3Cu-0.05Ni焊料合金用于波峰焊,其熔點為227℃;但在高可靠性要求的場合,波峰焊工藝大多還是采用Sn-Ag-Cu焊料。
手工電烙鐵焊大多采用Sn-Ag-Cu、Sn-Ag、Sn-Cu焊料

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