在電子焊接材料領(lǐng)域，我們?cè)絹?lái)越多地被問(wèn)到：新一代產(chǎn)品需要比SnAgCu合金更高的操作溫度，是否有合適的焊料推薦？有沒(méi)有比SnAgCu合金可靠性更高的產(chǎn)品推薦？顯然，在焊接可靠性要求更高的當(dāng)下，無(wú)鉛焊料黃金搭檔SnAgCu合金已經(jīng)越來(lái)越難以應(yīng)對(duì)自如。
怎樣提升焊接材料的性能？是否有更優(yōu)良的合金材料解決方案？改性材料或者其它合金成分添加，是否是更高效的選擇？這些都需要焊接材料供應(yīng)商給出答案。好的消息是，經(jīng)過(guò)不斷嘗試和優(yōu)化，一種新的焊接合金Innolot?被推出到市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)近幾年的市場(chǎng)驗(yàn)證，其高性能的表現(xiàn)，得到越來(lái)越多行業(yè)應(yīng)用端的關(guān)注。
那么，什么樣的性能表現(xiàn)使其能脫穎而出呢？我們知道電子產(chǎn)品的失效，主要源自于合金連接焊點(diǎn)的疲勞失效。Innolot?合金焊料對(duì)普通操作溫度和較高的操作溫度兩種情況的可靠性有所改善?？煽啃灾饕Q于電子元器件（陶瓷元件等）與環(huán)氧樹(shù)脂等基材，兩種不同熱膨脹系數(shù)CTE(Coefficient of Thermal Expansion)材料界面結(jié)合的質(zhì)量。陶瓷材料的CTE一般較低，環(huán)氧&玻璃材質(zhì)基材CTE相對(duì)較高。當(dāng)受熱時(shí)，電路板比焊接在它上面的陶瓷元件膨脹的多得多，這種不匹配使焊接連接點(diǎn)承受剪切應(yīng)力和應(yīng)變。反復(fù)循環(huán)后，連接點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)疲勞，裂紋可能出現(xiàn)并擴(kuò)展，金屬?gòu)?qiáng)度比初始狀態(tài)明顯降低，甚至出現(xiàn)完全失效，正如圖1中所表現(xiàn)出的典型失效模式一樣。
圖1?TCT -40/+130后?a)SAC305的切片樣品和?b) SAC307的切片樣品
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金屬元素 |
熔點(diǎn)／℃ |
優(yōu)點(diǎn)和作用 |
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錫 |
232 |
錫是金屬的基料，是可焊性功能的主力軍 |
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鉍 |
271 |
微量鉍能提高焊料的流動(dòng)性，使焊料分布到各焊點(diǎn) |
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銅 |
1080 |
無(wú)鉛焊料中，需要有銅以增加強(qiáng)度，才能與焊體相親 |
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銻 |
630 |
銻能強(qiáng)化焊點(diǎn)的光亮度，并增加焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度 |
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鎳 |
1455 |
鎳能細(xì)化合金組織，特別是能中和粗大的銅元素結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化流動(dòng)性 |
表1：錫焊料合金元素的性能優(yōu)點(diǎn)
?
其中添加的微量元素，以下兩種方法之一提高焊料的抗蠕變性:?
圖2?彌散硬化示意圖
彌散硬化，或者叫沉淀硬化，發(fā)生在元素不溶解于錫-在這種情況下，鎳形成金屬間相析出冷卻。?
圖3?固溶硬化示意圖
固溶硬化，在這種情況下，Sb和Bi -溶解在錫的固溶體中，并增加其強(qiáng)度。
合金的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比
圖4 SnAgCu（SAC）合金的微觀結(jié)構(gòu)
圖5 Innolot?合金的微觀結(jié)構(gòu)
圖6 TCT -40/+130后?a)Innolot?焊料焊接的切片樣品
那么，Innolot?合金的焊接強(qiáng)度能有多大幅度的增強(qiáng)呢？通過(guò)極限對(duì)比其冷熱循環(huán)2000個(gè)次數(shù)后 – 目標(biāo)元件C 1206陶瓷電阻在-40/125℃ TS, Sn基板材料表面測(cè)試，其剪切強(qiáng)度的下降幅度，與SnAgCu, SnCuNi, SnPb合金比較（如圖7），以及不同尺寸元件的重復(fù)驗(yàn)證結(jié)果綜合看（如圖8），Innolot?合金焊接都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。
圖7?Innolot?合金焊接C1206陶瓷電阻，TS -40℃/125℃下的剪切強(qiáng)度與其他合金材料對(duì)比
圖8??Innolot?合金焊接不同尺寸元件，TS -40℃/125℃下的剪切強(qiáng)度與其他合金材料對(duì)比
?總結(jié)??
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要點(diǎn) |
描述 |
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焊接峰值溫度 |
相對(duì)SnAgCu焊料更高的焊接峰值溫度，被證明能夠有效幫助到Innolot?合金焊接潤(rùn)濕性表現(xiàn)，以及空洞抑制。250℃及以上的峰值溫度，70秒以上的合金液相時(shí)間保持，可以被推薦到應(yīng)用當(dāng)中 |
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基板表面處理 |
基板表面處理工藝方面的影響是不容忽視的，ENIG在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中往往擁有更好的焊接潤(rùn)濕性表現(xiàn)。 |
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焊接時(shí)保護(hù)氣體環(huán)境 |
截至目前，對(duì)于焊接時(shí)保護(hù)氣體（如氮?dú)猓┑囊螅捌鋵?duì)應(yīng)的氧氣O2水平的要求，是需要注意的，500ppm以下的焊接O2水平被證明對(duì)于焊接能夠起到幫助作用。但同時(shí)，能夠在空氣下焊接的產(chǎn)品，可能也將在不久的將來(lái)來(lái)到客戶面前，讓我們共同期待吧. |
表2：Innolot?合金焊料應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)?
基于以上的應(yīng)用實(shí)踐，相信在制造領(lǐng)域的小伙伴們都能對(duì)Innolot?合金產(chǎn)品有一定的了解，沒(méi)準(zhǔn)你已經(jīng)在考慮采用它可能性。同時(shí)，應(yīng)用材料的開(kāi)發(fā)的伙伴們，也在繼續(xù)推動(dòng)著這款產(chǎn)品的優(yōu)化與調(diào)整，相信在不久的將來(lái)，在市場(chǎng)上能越來(lái)越多看到他的身影。
在此，附上專利應(yīng)用介紹:?該技術(shù)是在賀利氏 (Heraeus)主導(dǎo)下，其他工業(yè)伙伴參與開(kāi)發(fā)的合作項(xiàng)目。旨在提高應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境無(wú)鉛焊接可靠性。結(jié)果是與標(biāo)準(zhǔn)SAC合金相比，該合金的可靠性能得到顯著改善。Innolot?在電子產(chǎn)品市場(chǎng)上推出多年，被公認(rèn)為是一種高可靠性熱循環(huán)、抗熱老化和抗振的合金，非常適合汽車電子組裝應(yīng)用。lnnolot??合金可承受高溫應(yīng)用的要求，同時(shí)仍可在標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛工藝溫度下進(jìn)行焊接。
專利信息：美國(guó)專利商標(biāo)局專利號(hào)US10376994B2；歐盟專利號(hào)EP1617968B1；日本專利號(hào)JP5320556B2；
賀利氏所涉及產(chǎn)品線，供有需求的朋友們參考：
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產(chǎn)品名稱 |
鉛含量 |
殘留物活性等級(jí) |
粒徑型號(hào) |
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F640? Innolot? |
無(wú) |
L0 |
3號(hào)粉 |
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F645? Innolot? |
無(wú) |
L0 |
4號(hào)粉 |
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F650? Innolot? |
無(wú) |
L0 |
4號(hào)粉 |
END
文章作者：賀利氏電子材料有限公司，羅金濤
參考文獻(xiàn)：錫焊料合金制造工藝技術(shù)手冊(cè)（2021版），嚴(yán)孝釧?
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦陶瓷展）：挑戰(zhàn)陶瓷基板高可靠性，賀利氏焊料脫穎而出
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