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。

圖1 TCT -40/+130后

a)SAC305的切片樣品和b) SAC307的切片樣品

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。可靠性主要取決于電子元器件(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。

Innolot?合金，通過(guò)Sn95.5Ag3.8Cu0.7合金成分中，添加Bi,Ni,Sb合金元素，達(dá)到提高合金性能的目的, 顯著提高陶瓷元件焊點(diǎn)的抗蠕變強(qiáng)度，如電阻和電容器，工作溫度可達(dá)150°C。各元素在合金中的作用可以參考表1.

表1：錫焊料合金元素的性能優(yōu)點(diǎn)

參考文獻(xiàn)：錫焊料合金制造工藝技術(shù)手冊(cè) 嚴(yán)孝釧 著;

其中添加的微量元素，用以下兩種方法之一提高焊料的抗蠕變性:

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2 彌散硬化示意圖

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。

圖3 固溶硬化示意圖

Innolot?合金金相中，有些針狀的長(zhǎng)條形晶核結(jié)構(gòu)，有裂紋時(shí)，會(huì)被此結(jié)構(gòu)阻隔，起到結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的效果，類似于混凝土中的加強(qiáng)成分，這些可以通過(guò)對(duì)比SnAgCu(SAC)合金焊點(diǎn)以及Innolot?(基于SnAg3.8Cu0.7和額外加入Ni、Sb、Bi合金元素)合金焊點(diǎn)金相，一窺其原理。

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)

與SAC焊點(diǎn)的金相結(jié)構(gòu)相比，Innolot?合金的焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)被改變了，在Sn-Matrix有Sb 和Bi溶解之中，生成Ag3Sn化合物的同時(shí)，不溶于Sn的Ni與Sn形成IMC金屬間的化合物以(Cu，Ni)6Sn5的形式存在，當(dāng)在更多次循環(huán)時(shí)，焊點(diǎn)所受的應(yīng)力能夠被Innolot?有效的緩和，所以合金元素的加入使焊料合金層硬化以提高焊料的抗蠕變性能。

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

綜合以上對(duì)比，我們可以看出Innolot?合金焊料，在焊接可靠性上有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)。那么，有沒(méi)有具體應(yīng)用的案例可以給讀者作為參考呢?答案是肯定的。根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用情況，大致可以總結(jié)出，更多的車用電子制造領(lǐng)域，越來(lái)越多地應(yīng)用到Innolot?合金焊料。在諸如車燈組件，電氣控制系統(tǒng)領(lǐng)域，都有客戶使用，或在評(píng)估使用相關(guān)焊料產(chǎn)品。可靠性驗(yàn)證方面有應(yīng)用要求達(dá)到2000+，甚至3000小時(shí)的內(nèi)部案例。

那么，在應(yīng)用當(dāng)中，Innolot?合金焊料有什么技術(shù)要點(diǎn)需要注意的呢?根據(jù)相關(guān)技術(shù)案例積累，目前可以大致總結(jié)出對(duì)其焊接可靠性影響較大的幾個(gè)方面：

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)在考慮采用它的可能性。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。

審核編輯：符乾江