焊接材料INNOLOT?合金的性能及其應(yīng)用詳解

在電子焊接材料領(lǐng)域，我們越來越多地被問到：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，無鉛焊料黃金搭檔SnAgCu合金已經(jīng)越來越難以應(yīng)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(yīng)商給出答案。好的消息是，經(jīng)過不斷嘗試和優(yōu)化，一種新的焊接合金Innolot?被推出到市場。經(jīng)過近幾年的市場驗證，其高性能的表現(xiàn)，得到越來越多行業(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相對較高。當(dāng)受熱時，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承受剪切應(yīng)力和應(yīng)變。反復(fù)循環(huán)后，連接點開始出現(xiàn)疲勞，裂紋可能出現(xiàn)并擴展，金屬強度比初始狀態(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, 顯著提高陶瓷元件焊點的抗蠕變強度，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

參考文獻：錫焊料合金制造工藝技術(shù)手冊 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，并增加其強度。

圖3 固溶硬化示意圖

Innolot?合金金相中，有些針狀的長條形晶核結(jié)構(gòu)，有裂紋時，會被此結(jié)構(gòu)阻隔，起到結(jié)構(gòu)加強的效果，類似于混凝土中的加強成分，這些可以通過對比SnAgCu(SAC)合金焊點以及Innolot?(基于SnAg3.8Cu0.7和額外加入Ni、Sb、Bi合金元素)合金焊點金相，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焊點的金相結(jié)構(gòu)相比，Innolot?合金的焊點的結(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，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，焊點所受的應(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?合金的焊接強度能有多大幅度的增強呢?通過極限對比其冷熱循環(huán)2000個次數(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(fù)驗證結(jié)果綜合看(如圖8)，Innolot?合金焊接都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

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(dāng)明顯的優(yōu)勢。那么，有沒有具體應(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，或在評估使用相關(guān)焊料產(chǎn)品?？煽啃则炞C方面有應(yīng)用要求達到2000+，甚至3000小時的內(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)出對其焊接可靠性影響較大的幾個方面：

表2：Innolot?合金焊料應(yīng)用技術(shù)要點

基于以上的應(yīng)用實踐，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，沒準(zhǔn)你已經(jīng)在考慮采用它的可能性。同時，應(yīng)用材料的開發(fā)的伙伴們，也在繼續(xù)推動著這款產(chǎn)品的優(yōu)化與調(diào)整，相信在不久的將來，在市場上能越來越多看到他的身影。

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)伙伴參與開發(fā)的合作項目。旨在提高應(yīng)對惡劣環(huán)境無鉛焊接可靠性。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，非常適合汽車電子組裝應(yīng)用。lnnolot? 合金可承受高溫應(yīng)用的要求，同時仍可在標(biāo)準(zhǔn)無鉛工藝溫度下進行焊接。

審核編輯：符乾江