欧盟指令为更稳健的焊料合金开辟了机遇

作者:Balver Zinn & Co. KG GmbH公司技术部主管和区域销售经理:Paulo Corviseri

引言

自欧盟指令2002/95/EG推出以来,无铅焊料已商品化,并广泛应用于电子组装。对于一些专用的高可靠性产品,如汽车、军事、航空航天和医疗应用等,含铅合金仍然是许可的,尽管随着时间的推移,这些豁免的数量将减少。

对于高温应用,目前可用的无铅焊料合金可能在可靠性方面存在限制。

电子设备的恶劣环境

暴露在高温下的电子设备,如在内燃机和动力系统中的电子设备,需要提高性能,以满足这些苛刻的环境条件要求。除了高温外,汽车应用中的传感器和控制器还会受到剧烈振动和其他机械应力的影响。在生产此类产品时,必须考虑到这一点。

焊点老化机理

除了机械应力外,焊点还可能由于温度的不断变化而受到热应力的影响。这种热应力可能导致合金疲劳断裂,最终导致焊点断裂。

由于不同成分材料的热膨胀系数(CTE)不同,温度的变化将导致在金属间化合物中产生应力。同时,这种热冲击促进了焊料中的粗化效应(金属相的增长),这将使合金更加脆弱。

焊接系统中的强化机制

无铅焊点由锡基体组成,锡基体的不同相(如Ag3Sn、Cu6Sn5、(CuNi)6Sn5或其他相)由合金和元件材料控制。如果合金体系的结构更为复杂,则不同相的数量和数额也会增加。它们的形成导致非常软的凝固锡基体。

现在将进一步解释软钎焊系统中最常用的两种凝固机制:沉淀强化和固溶强化。

沉淀强化

沉淀强化是基于焊料中金属间化合物相的形成,如Cu6Sn3和Ag3Sn。它们在将元件连接到印制电路板的焊接过程中形成,并且均匀分布在焊点结构中。

由于服役期间电子组件的温度老化或温度循环的热负荷,金属间化合物相变粗,形成粗糙的微观结构。这一过程取决于热循环次数、温度和温度下的时间。长时间存在于高温下会使晶粒结构和金属间化合物迅速生长,导致焊点脆化和退化。因此,沉淀强化具有有限的热稳定性。

固溶强化

软的锡基体的另一种强化机制是加入“外来原子”,干扰锡晶体的规则的晶体结构。

通过选择原子半径大于锡的合金元素,可以增强锡原子间的锡基体张力(相当于强度)。

在晶体结构中,Sn原子与外来原子(如Bi)的交换称为取代。加入外来原子可防止基体中锡原子在负载下发生位错,从而增强系统。固溶强化不受金属间化合物相生长和伴随的粗化效应的影响,并致使焊点具有更大的热稳定性。

系统和挑战

二元合金熔点相对较低,如Sn63Pb37为183 ℃,由于电子组装设备的热需求增加,它将不再满足许多客户的要求。目前的高可靠性合金,例如众所周知的SAC305合金,含质量分数3%的银和0.5%的铜,至少含有3种元素。

为了达到某些特定的高可靠性要求,其他焊料组合物最多包含了6种元素。然而,尽管这些特殊合金有一些优势,但由于复杂性的增加,生产过程更加敏感。

合金稳定性

通过回流焊、波峰焊、选择性焊接、机器人焊接或手工焊接工艺,可以实现电子组装的互连焊接。

这些工艺要求不同的合金形式,这些工艺会影响最终成分,特别是当合金长时间熔化时如波峰焊和选择性焊接:合金是否分离?是否有金属间化合物聚集在锡槽的特定区域?元件热质量的变化、热沉效应和不同的冷却梯度也会影响最终的合金成分:组件中每个焊接点的成分是否是均质的,是否符合规范?

合金形式、价格和资源

为了使生产过程成本效益,采用统一的焊接系统,应提供各种形式和尺寸的焊料。不仅有焊条和实心焊丝,还应该有用于焊膏的粒径尺寸5~15 μm的焊粉(IPC 6号)、直径0.3 mm或更小的药芯焊丝,同时保持性价比。

应考虑合金中的某些元素会影响氧化速率,这对焊膏很重要。此外,生产药芯焊丝的能力可能有限制,应予以考虑。

昂贵的合金元素,如银和铟,往往用来实现高可靠性。虽然这些元素只是少量存在,但是它们会对合金的最终价格产生很大的影响。应始终考虑所有合金元素的长期可用性:最好的焊料是可用的焊料!

SN100CV-铋的效果

SN100CV是Nihon Superior的一种专利合金,适用于高端应用,是独特的3种焊接系统的组合,在高端可靠性和经济实用性之间实现了理想的平衡。

SN100CV将无银焊接系统与铋和微掺杂镍和锗相结合。铋通过替代原理增强锡基体,与标准Sn100C合金相比,强度提高了约30%,达到甚至超过了标准SAC305(SnAg3Cu0.5)合金的强度。

物理性质、特性和成分

基于共晶焊料成分SnCu0.7Ni0.05Ge0.005,添加1.5%的铋升级SN100C,以注册商标SN100CV推出。

由于添加了1.5%的铋,SN100C的熔点从共晶227 ℃降低到熔点范围221 ℃到225 ℃之间。SN100CV将以各种形式提供,如焊膏、药芯焊丝、实心焊丝和不同形状的焊条,以适用于所有的焊接工艺。

最佳铋含量

锡基体中正确的铋含量对焊点在整个工作温度范围内的可靠性至关重要。在室温下,只有极少量的铋可以溶解。应避免铋含量超出溶解极限(图1),因为低于溶解度温度将沉淀。

例如,在高于60 ℃的温度下,质量分数约6%的铋完全溶解于锡基质中。当焊料冷却到室温时,铋开始沉淀(图2)。

如果铋含量在特定的温度下高于溶解度极限,就会导致合金的微观结构不稳定。在这种情况下,焊料结构可能包含两个不同的相,即SnBi晶体和沉淀铋。

在焊接温度下进入溶液中的铋,一旦组件冷却到溶解度极限以下,可能会沉淀。这被认为是影响最终焊点可靠性的关键现象。

SN100CV含有1.5%的非临界铋含量,以避免这种沉淀现象,因此可以确保铋在所有温度下在合金中完全溶解。

可靠性和热稳定性

在SN100CV中,铋增加了焊料的强度。固溶强化导致凝固过程中金属网格的“联锁和扭曲”,使SN100CV热稳定性非常高。在拉伸强度方面,SN100CV屈服强度和剪切强度达到甚至超过SAC305等含银合金的标准值。

因此,沉淀强化对SN100CV的热稳定性没有显著影响,而沉淀强化中金属间化合物相的快速生长会导致脆化。

与之相比,含不同浓度银的合金在125 ℃下老化2 520 h,显示出由于“Oswald熟化”导致的沉淀强化极限。在此过程中,Ag3Sn颗粒会长大并使焊料结构变粗。

Weibull分析-公认的评估可靠性的方法

Weibull分析通常与电子组件寿命和失效概率评估结合使用。Weibull分布描述了在真实或模拟条件下考虑老化历史的电子组件的失效概率。

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