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、化學性能、冶金性能、機械強度及可制造性等各方面盡量與傳統的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境造成污染的元素。

②合金熔點應與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凝固,大多數冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內,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生焊點擾動、開裂,使焊點提前失效,影響電子設備的可靠性。

④具有良好的物理特性,如導電性、導熱性、潤濕性、表面張力等。導電性是電子連接的基本要求;導熱性是為了能散熱,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免清洗焊劑一起使用。

⑤具有良好的化學性能,如耐腐蝕、抗氧化性好,不易產生電遷移等。
⑥合金的冶金性能良好,與銅、銀一鈀、金、42號合金鋼、鎳等形成優良的焊點,焊點的機械性能(如強度、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),進而實現可靠的電氣、機械連接,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(僅日本開發應用),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和微細的Ag3Sn相結成的二元共晶組織。添加Ag所形成的Ag3Sn,因為晶粒細小,因此Ag3Sn是穩定的化合物,改善了合金的機械性能,其優、缺點如下
①優點:具有優良的機械性能、拉伸強度、蠕變特性,耐熱老化比Sn-Pb共晶焊料優越,延展性比Sn-Pb稍差。因此Sn-3.5Ag共晶合金很早以前就被應用在**產品和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,然后在其間隙中發生共晶反應、*終凝固,形成纖維狀Ag3Sn
4.Sn-Ag-Cu三元合金
Sn-Ag-C元合金(熔點216-222c)是目前被大家公認的適用于再流焊的合金組分,其中Ag含量在3.0%~4.0%(質量百分比)、Cu含量在0.5%~0.75%范圍內都是可接受的合金。Sn-Ag-Cu合金相當于在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和細微的Ag3Sn、Cu6Sn5相結成的共晶組織。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,液態時的成分為阝-Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn。如果在平衡狀態(即冷卻速度無限慢時)凝固,其結晶是很規則的形狀,但實際生產條件下是快速冷卻,是非平衡狀態凝固的結晶,Cu與Ag一樣,也是幾乎不能固溶于β-Sn的元素。Sn先結晶,以枝晶狀(樹狀出現,中間夾Cu6Sn5和Ag3Sn,Sn-Ag-Cu合金的凝固特性導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會在焊料內出現粗化結晶物,造成熔融焊料的黏度增加,影響潤濕性和焊點機械強度。
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優點:有相對較低的熔點:機械性能好;曾報道Sn-Zn焊料的拉伸強度優于
Sn-37Pb,長期延展性與Sn-37Pb相當;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定的氧化,導致潤濕性變差,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,在焊區底部形成Bi-rich低溶點相。凝固時,引線和焊料熱縮應力對焊區底部產生拉伸而導致焊區部提升(焊縫浮起)的現象,也稱為焊點剝離現象 “ Fillet-- Lifting”現象的解釋機理主要有:焊料本身產生低溫相,焊料與鍍層反應生成低溫相,合金固液共存區過大。
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和應用較少。

9.目前應用*多的無鉛焊料合金

目前應用*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無鉛焊料美國已經有了磚利權,另外由于Ag含量為3.0%的焊料沒有磚利權,價格較便宜,焊點質量較好,因此IC推薦采用Ag含量為3.0%(質量百分比)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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