錫(Sn)是一種常見的低熔點(diǎn)金屬,無(wú)毒害,延展性好,常溫下物理化學(xué)性質(zhì)都相當(dāng)穩(wěn)定,能抗有機(jī)酸腐蝕,與諸多金屬生成化合物。傳統(tǒng)焊錫多以錫鉛為主要成分,這種材料以其熔點(diǎn)低、焊接性能好、價(jià)格優(yōu)惠而成為一種經(jīng)典產(chǎn)品被使用至今。但鉛的大量使用會(huì)給人類和環(huán)境帶來(lái)極大的危害,日本、歐盟、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)都積極立法限制鉛的使用。
國(guó)內(nèi)外對(duì)于焊錫粉的研究主要集中于顆粒粒度及其尺寸分布、抗氧化性、多元合金不同成分配比以及添加微量元素的作用等方面。對(duì)于助焊劑則主要集中于成分及其比例、擴(kuò)展率、粘性、腐蝕性等方面。 1) Sn-Ag(-Cu)系
Sn-Ag系共晶成分為Sn3.5Ag,共晶點(diǎn)為221℃。此系列發(fā)展最成熟的是Sn-Ag-Cu (SAC)系,Sn3Ag0.5Cu(SAC305)是此系列的經(jīng)典產(chǎn)品。這種合金具有優(yōu)良的物理性能和高溫穩(wěn)定性,其焊接后的連接強(qiáng)度與傳統(tǒng)錫鉛共晶焊錫相同,甚至更高。在剛剛開始推行無(wú)鉛化時(shí),大多數(shù)廠商都會(huì)選擇SAC305。由于Ag價(jià)格的不斷攀升,各機(jī)構(gòu)都在致力研究含Ag在1%以下的低銀焊錫膏。 2004年,含Ag為0%~8%,Cu為0%~5%的SAC焊錫,此焊料可以滿足回流溫度但無(wú)法消除立碑效應(yīng)。2006年,Ag為0.3% ~0.4%的Sn-Ag-Cu-P焊錫,其聲明具有和SAC305相同的可焊性、導(dǎo)電性、力學(xué)性能、并且可減少Ag與酸堿反應(yīng)帶來(lái)的毒性問(wèn)題。2010年,一種Sn-Ag基焊料,Ag含量為0.2%~1.0%,并添加微 量的Sb、Cu或Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Mo或P、Ga、Ge。添加這些元素可以提高其機(jī)械強(qiáng)度,但若添量過(guò)高則合金的液相溫度也會(huì)隨之升高。 Koki研制的低銀焊錫膏組分為Sn0.1Ag0.7Cu0.03Co,熔點(diǎn)為217~227 ℃。銀添加量的減少,使得產(chǎn)品市場(chǎng)波動(dòng)性降低。鈷可防止由熱循環(huán)導(dǎo)致的組織變化,可保持組織致密,抑制時(shí)效性金屬間化合物的偏析及凝聚,成本比SAC305減少10%~20%。Genma開發(fā)的低成本無(wú)銀焊錫其組分為Sn0.7Cu0.03Ni0.01Co0.005Ge,熔化溫度為226~228℃,添加鎳和鈷可以提高焊錫的強(qiáng)度和可靠性,其成本比SAC305減少54%。
2)Sn-Cu系
Sn-Cu的共晶成分為Sn0.7Cu,共晶溫度高達(dá)227 ℃。由于Cu和Sn合金是以兩種金屬間化合物Cu6Sn5(η)和Cu3Sn(ε)的形態(tài)分散在Sn中。 Cu6Sn5為良性合金層,呈球狀結(jié)晶,強(qiáng)度高,是焊點(diǎn)電接觸性能和強(qiáng)度的根本保證;而Cu3Sn是劣性合金層,它位于銅層與Cu6Sn5之間,呈骨針狀結(jié)晶,脆性,直接影響到焊點(diǎn)的電接觸和強(qiáng)度性能,并會(huì)造成不潤(rùn)濕現(xiàn)象。 目前對(duì)此合金系的改性主要表現(xiàn)在添加微量的Ni、Ag、Bi等,用于增加焊料的流動(dòng)性及其機(jī)械性能。此款焊料的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜,且可以抑制焊料工作時(shí)對(duì)PCB焊盤Cu層的浸析。 3)Sn-Sb系
Sn-Sb合金熔化區(qū)間較窄為240~250 ℃,比較主流的合金比例有:Sn5Sb、Sn10Sb。 Sn5Sb被認(rèn)為可能替代Sn40Pb,其潤(rùn)濕角為35°~55°,比Sn40Pb的20°~35°范圍要廣,且在100℃時(shí)有著良好的剪切強(qiáng)度。常溫下Sn5Sb的組織由體心四方結(jié)構(gòu)的β-Sn和面心立方結(jié)構(gòu)的β-Sn-Sb相組成。隨著Sb含量的增加,Sn-Sb相顆粒在Sn基體中沉淀,其力學(xué)性能也隨之提高。 2、中溫?zé)o鉛焊錫
1)Sn-Bi-Ag(Cu)系
Sn-Bi-Ag合金的共晶成分為Sn58Bi0.3Ag。Hiroshi Ohtani等研究發(fā)現(xiàn):其熔點(diǎn)接近Sn-Bi合金,當(dāng)Bi含量接近50%時(shí),其固液相區(qū)溫度間隔小于10 ℃;當(dāng)Ag的含量大于2%時(shí),生成金屬間化合物Ag3Sn。 Sebo等對(duì)Sn100-x Bi10Agx (x=3%-10%)焊料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)Cu3Sn層僅存在于Cu基界面處,Cu6Sn5存在于基質(zhì)界面及焊料內(nèi)部,Ag僅僅存在于Ag3Sn中。 Ag含量的改變不會(huì)顯著改變其接頭的微觀結(jié)構(gòu),但Ag3Sn的尺寸會(huì)隨Ag的增加而長(zhǎng)大;Cu3Sn層的厚度會(huì)隨Ag的增加而減小。由于Ag為貴金屬,會(huì)添加微量的Cu來(lái)代替Ag。
2)Sn-Zn系
Sn-Zn共晶(Sn9Zn)點(diǎn)199 ℃,比SAC的共晶溫度(217℃)低20℃,比Sn-Pb的(183℃)高15℃,是熔點(diǎn)最接近Sn-Pb熔點(diǎn)的合金。通常情況下,焊接部分的凸點(diǎn)下金屬(UBM)使用銅,而使用Sn-Zn合金就會(huì)生成鋅和銅的金屬化合物,這種金屬化合物在高溫高濕環(huán)境下會(huì)變?nèi)彳?,連接強(qiáng)度會(huì)變?nèi)?,但只要在凸點(diǎn)下金屬上使用鎳電鍍或金電鍍就可以解決此類問(wèn)題。另外,由于Zn活性高,極易氧化,工藝條件難控制等缺點(diǎn),目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不廣泛,未來(lái)應(yīng)用前景非常廣闊。 3、低溫?zé)o鉛焊錫
Sn-Bi系
Sn-Bi合金共晶(Sn58Bi)點(diǎn)為139 ℃,采用這種焊料的實(shí)裝溫度可降到200℃以下。Sn-Bi系無(wú)鉛焊料具有熔點(diǎn)低、潤(rùn)濕性良好的優(yōu)點(diǎn),Sn58Bi共晶合金應(yīng)用于主板封裝已經(jīng)超過(guò)20年。但由于其易偏析,焊接接頭容易剝落等缺陷限制其應(yīng)用范圍。
4、助焊劑
助焊劑主要由活性劑(松香、有機(jī)鹵化物等)、表面活性劑(以烷烴類或氟碳類等高效表面活性劑為主)和溶劑組成。除以上組分外,助焊劑往往根據(jù)具體的要求而添加不同的添加劑,如成膜劑、抗氧化劑、緩蝕劑、消光劑、阻燃劑、觸變劑等。 目前SMT軟釬焊工藝生產(chǎn)中使用的助焊劑,根據(jù)其后繼清洗工藝分為溶劑清洗型、水清洗型和免清洗型3種。