在電子焊接材料領域,我們越來越多地被問到:新一代產品需要比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品推薦?顯然,在焊接可靠性要求更高的當下,無鉛焊料黃金搭檔SnAgCu合金已經越來越難以應對自如。

圖1 TCT -40/+130后

a)SAC305的切片樣品和b) SAC307的切片樣品

高可靠性焊接材料INNOLOT?合金的性能及其應用 —— 賀利氏電子材料有限公司 羅金濤

怎樣提升焊接材料的性能?是否有更優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,經過不斷嘗試和優化,一種新的焊接合金Innolot™被推出到市場。經過近幾年的市場驗證,其高性能的表現,得到越來越多行業應用端的關注。

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。可靠性主要取決于電子元器件(陶瓷元件等)與環氧樹脂等基材,兩種不同熱膨脹系數CTE(Coefficient of Thermal Expansion)材料界面結合的質量。陶瓷材料的CTE一般較低,環氧&玻璃材質基材CTE相對較高。當受熱時,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力和應變。反復循環后,連接點開始出現疲勞,裂紋可能出現并擴展,金屬強度比初始狀態明顯降低,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點

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參考文獻:錫焊料合金制造工藝技術手冊 嚴孝釧 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

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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

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Innolot™合金金相中,有些針狀的長條形晶核結構,有裂紋時,會被此結構阻隔,起到結構加強的效果,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)合金的微觀結構

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  圖5 Innolot™合金的微觀結構

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與SAC焊點的金相結構相比,Innolot™合金的焊點的結構被改變了,在Sn-Matrix有Sb 和Bi溶解之中,生成Ag3Sn化合物的同時,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,當在更多次循環時,焊點所受的應力能夠被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

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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2000個次數后 – 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

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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

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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勢。那么,有沒有具體應用的案例可以給讀者作為參考呢?答案是肯定的。根據行業的應用情況,大致可以總結出,更多的車用電子制造領域,越來越多地應用到Innolot™合金焊料。在諸如車燈組件,電氣控制系統領域,都有客戶使用,或在評估使用相關焊料產品。可靠性驗證方面有應用要求達到2000+,甚至3000小時的內部案例。

那么,在應用當中,Innolot™合金焊料有什么技術要點需要注意的呢?根據相關技術案例積累,目前可以大致總結出對其焊接可靠性影響較大的幾個方面:

表2:Innolot™合金焊料應用技術要點

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基于以上的應用實踐,相信在制造領域的小伙伴們都能對Innolot™合金產品有一定的了解,沒準你已經在考慮采用它的可能性。同時,應用材料的開發的伙伴們,也在繼續推動著這款產品的優化與調整,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,附上專利應用介紹: 該技術是在賀利氏 (Heraeus)主導下,其他工業伙伴參與開發的合作項目。旨在提高應對惡劣環境無鉛焊接可靠性。結果是與標準SAC合金相比,該合金的可靠性能得到顯著改善。Innolot™在電子產品市場上推出多年,被公認為是一種高可靠性熱循環、抗熱老化和抗振的合金,非常適合汽車電子組裝應用。lnnolot™ 合金可承受高溫應用的要求,同時仍可在標準無鉛工藝溫度下進行焊接。

專利信息:美國專利商標局專利號US10376994B2;歐盟專利號EP1617968B1;日本專利號JP5320556B2;

賀利氏所涉及產品線,供有需求的朋友們參考:

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參考文獻:錫焊料合金制造工藝技術手冊(2021版) 嚴孝釧 著;