中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在電子焊接材料領(lǐng)域，我們越來(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下，無(wú)鉛焊料黃金搭檔SnAgCu合金已經(jīng)越來(lái)越難以應對自如。
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)驗證，其高性能的表現，得到越來(lái)越多行業(yè)應用端的關(guān)注。
那么，什么樣的性能表現使其能脫穎而出呢?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CTE(Coefficient of Thermal Expansion)材料界面結合的質(zhì)量。陶瓷材料的CTE一般較低，環(huán)氧&玻璃材質(zhì)基材CTE相對較高。當受熱時(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)承受剪切應力和應變。反復循環(huán)后，連接點(diǎn)開(kāi)始出現疲勞，裂紋可能出現并擴展，金屬強度比初始狀態(tài)明顯降低，甚至出現完全失效，正如圖1中所表現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，達到提高合金性能的目的, 顯著(zhù)提高陶瓷元件焊點(diǎn)的抗蠕變強度，如電阻和電容器，工作溫度可達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：錫焊料合金制造工藝技術(shù)手冊 嚴孝釧 著(zhù);
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，并增加其強度。
圖3 固溶硬化示意圖
Innolot™合金金相中，有些針狀的長(cháng)條形晶核結構，有裂紋時(shí)，會(huì )被此結構阻隔，起到結構加強的效果，類(lèi)似于混凝土中的加強成分，這些可以通過(guò)對比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(guān)結構
圖5 Innolot™合金的微觀(guān)結構
與SAC焊點(diǎn)的金相結構相比，Innolot™合金的焊點(diǎn)的結構被改變了，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，當在更多次循環(huán)時(shí)，焊點(diǎn)所受的應力能夠被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™合金的焊接強度能有多大幅度的增強呢?通過(guò)極限對比其冷熱循環(huán)2000個(gè)次數后 – 目標元件C 1206陶瓷電阻在-40/125℃ TS, Sn基板材料表面測試，其剪切強度的下降幅度，與SnAgCu, SnCuNi, SnPb合金比較(如圖7)，以及不同尺寸元件的重復驗證結果綜合看(如圖8)，Innolot™合金焊接都表現出明顯的優(yōu)勢。
圖7 Innolot™合金焊接C1206陶瓷電阻，TS -40℃/125℃下的剪切強度與其他合金材料對比
圖8 Innolot™合金焊接不同尺寸元件，TS -40℃/125℃下的剪切強度與其他合金材料對比
綜合以上對比，我們可以看出Innolot™合金焊料，在焊接可靠性上有相當明顯的優(yōu)勢。那么，有沒(méi)有具體應用的案例可以給讀者作為參考呢?答案是肯定的。根據行業(yè)的應用情況，大致可以總結出，更多的車(chē)用電子制造領(lǐng)域，越來(lái)越多地應用到Innolot™合金焊料。在諸如車(chē)燈組件，電氣控制系統領(lǐng)域，都有客戶(hù)使用，或在評估使用相關(guān)焊料產(chǎn)品?？煽啃则炞C方面有應用要求達到2000+，甚至3000小時(shí)的內部案例。
那么，在應用當中，Innolot™合金焊料有什么技術(shù)要點(diǎn)需要注意的呢?根據相關(guān)技術(shù)案例積累，目前可以大致總結出對其焊接可靠性影響較大的幾個(gè)方面：
表2：Innolot™合金焊料應用技術(shù)要點(diǎn)
基于以上的應用實(shí)踐，相信在制造領(lǐng)域的小伙伴們都能對Innolot™合金產(chǎn)品有一定的了解，沒(méi)準你已經(jīng)在考慮采用它的可能性。同時(shí)，應用材料的開(kāi)發(fā)的伙伴們，也在繼續推動(dòng)著(zhù)這款產(chǎn)品的優(yōu)化與調整，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(zhuān)利應用介紹: 該技術(shù)是在賀利氏 (Heraeus)主導下，其他工業(yè)伙伴參與開(kāi)發(fā)的合作項目。旨在提高應對惡劣環(huán)境無(wú)鉛焊接可靠性。結果是與標準SAC合金相比，該合金的可靠性能得到顯著(zhù)改善。Innolot™在電子產(chǎn)品市場(chǎng)上推出多年，被公認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(chē)電子組裝應用。lnnolot™ 合金可承受高溫應用的要求，同時(shí)仍可在標準無(wú)鉛工藝溫度下進(jìn)行焊接。
專(zhuān)利信息：美國專(zhuān)利商標局專(zhuān)利號US10376994B2;歐盟專(zhuān)利號EP1617968B1;日本專(zhuān)利號JP5320556B2;
賀利氏所涉及產(chǎn)品線(xiàn)，供有需求的朋友們參考：
參考文獻：錫焊料合金制造工藝技術(shù)手冊(2021版) 嚴孝釧 著(zhù);
