適應(yīng)于高工作溫度高性能無鉛合金的新發(fā)展

1、適應(yīng)于高工作溫度高性能無鉛合金的新發(fā)展無鉛工藝現(xiàn)在看起來像是昨日舊聞，整個電子行業(yè)已經(jīng)普遍接受并使用SnAgCu（SAC）合金。但是，在某些市場，現(xiàn)在主導的SAC合金配方仍然遇到一些挑戰(zhàn)。雖然SAC合金已經(jīng)證明是很有價值的無鉛材料，可以滿足大多數(shù)終端電子產(chǎn)品的需要，但是，對那些要求工作高溫和可靠性特別高的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的SAC無鉛材料從沒有獲得巨大成功。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（125C）超出了現(xiàn)有SAC合金所能

2、達到的性能，而且也很難將這樣的應(yīng)用和現(xiàn)在通用無鉛焊料的性能匹配起來。對于這些應(yīng)用，傳統(tǒng)錫鉛焊料的熔點太低，而且它們的使用也會越來越受限制。SAC合金的熔點的確較高，但它們在高溫工作環(huán)境下的可靠性不如錫鉛合金。高性能高工作溫度的無鉛合金(在業(yè)界叫InnelInnoLot)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合金的強度及提高抗蠕變強度。一個由終端產(chǎn)品制造商、學術(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

3、組著手開發(fā)一種新的合金，結(jié)果顯示在1250C的工作溫度下焊點的可靠性有非常顯著的改善（對于SAC和SnPb來說），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1250C。隨著車載電子產(chǎn)品的應(yīng)用不斷提升，對于產(chǎn)品的可靠性要求也不斷增強。許多SENSS和CONTROLLER都是安裝在高工作溫度及冷熱交互變化的部位。這些嚴苛的環(huán)境要求對于錫鉛合金的性能有很大的挑戰(zhàn)，同時對傳統(tǒng)SAC

4、合金也是苛刻的。鑒于這些挑戰(zhàn)，研發(fā)小組著手開發(fā)一種新的合金。它能夠滿足或者超過汽車用產(chǎn)品的高溫、高可靠性要求，同時還可以在合理的溫度下進行焊接。該合金要達到的目標如下：??材料必須無鉛??能夠在高達165C的溫度下工作??焊點能夠承受1000次從55C到150C的熱循環(huán)??可以在220C或更低溫度下回流焊接??符合RoHS標準，價錢有競爭性。新合金開發(fā)小組認為，標準的三元相合金不可能達到上述要求，有必要采取一種多元相混合合金的方法。通過

5、分析了各種合金元素，最后選出既能提高抗蠕變性，又能達到可接受熔點溫度的三種元素：鉍（Bi）、銻（Sb）和鎳（Ni）。合金合金組成元素每選擇一種添加元素都會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ＩＭＣ層，可以提升焊點的強度，但是提高合金的熔點溫度；銻（Sb）可以溶解于錫中并提升合金的強度，但是也會提升合金的熔點溫度；鉍（Bi）可以溶解于錫中并提升合金的強度，但是可以降低合金的溶點溫度，足夠于補償Ni和Bi添加所造成

6、的溫度提升。Fig3:傳統(tǒng)的SAC合金微觀結(jié)構(gòu)Fig3顯示Sn的基體中（Snmatrix）包括有Ag3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物，此化合物散布在整個的Sn基體中。Fig4:變更的SAC合金微觀結(jié)構(gòu)更改的SAC微觀結(jié)構(gòu)示圖（Fig4）顯示在Sn的基體中有Sb和Bi溶解于其中，并且包含有Ag3Sn和(CuNi)6Sn5金屬間化合物。Fig5: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于SAC和有鉛合金來說可以

7、提升其強度，F(xiàn)ig5是貼裝0402到1206等幾種零件經(jīng)400C1650C熱循環(huán)后測試的剪切力的結(jié)果，這種6元合金性能超過傳統(tǒng)的SAC合金，尢其是在重復的熱循環(huán)后其，剪切強度的耐久性比SAC合金好的多。Fig6幾種合金在熱循環(huán)后剪切力的比較Fig6顯示多元合金剪切力測試的結(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其它合金。經(jīng)過1000次的熱循環(huán)（400C1650C），6元合金仍保持有80%的初始剪切強