無鉛選擇:錫/銀/銅/鉍系統

来源:未知    发表时间:2013-11-23    浏览次数:

 “最佳化學成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供更高的強度,以及比63Sn/37Pb高大約200%的疲勞壽命。”
  錫/銀/銅/鉍的最佳化學成分,從SMT製造的觀點來看,是很有用的,特別是因爲它提供較低的回流溫度,這是需要的關鍵所在。
  最佳化學成分
  在錫/銀/銅/鉍系統中的三個元素都會影響所得合金的熔點1,2。目標是要減少所要求的回流溫度;找出在這個四元系統中每個元素的最佳配劑,同時將機械性能維持在所希望的水平上,這是難以致信的複雜追求,也是科學上吸引人的地方。
  以下是在實際配劑範圍內一些有趣的發現(所有配劑都以重量百分比表示):
熔化溫度隨著銅的增加而下降,在0.5%時達到最小。超過0.5%的銅,熔化溫度幾乎保持不變。
類型地,當增加銀時熔化溫度下降,在大約3.0%時達到最小。當銀從3.0%增加到4.7%時合金熔化溫度的減少可以忽略。
鉍對進一步減少熔化溫度起主要作用。可是,可加入的鉍的量是有限的,因爲它對疲勞壽命和塑性有非常大的破壞作用。適當的鉍的量大約爲3~3.5%。
  美國專利 5,520,752 透露了一種從錫/銀/鉍/銅所選的無鉛合金:在重量上,大約86~97%的錫、大約0.3~4.5%的銀、大約0~9.3%的銦、大約0~4.8%的鉍和大約0~5%的銅。3
  在3.0~3.1%的鉍和3.0~3.4%的銀、0.5%的銅時,最有效地增加疲勞壽命。再增加任何銅都不會影響疲勞壽命。
  當鉍保持在3~3.1%和銅在0.5~2%時,3.1%的銀是達到最大疲勞壽命的最有效的配劑。
  在系統化設計出來的化學成分之中,顯示所希望性能的最好平衡,即,熔化溫度、強度、塑性和疲勞壽命。
  基本的特性與現象
  基於Sn/Ag與Sn/Cu的二元相圖,銀與錫之間的相互作用形成一種Ag3Sn的金屬間化合物,而銅與錫反應形成Cu6Sn5的金屬間化合物。對錫/鉍相互作用,預料鉍原子作爲替代原子進入晶格位置達1.0%;超過1.0%之後,鉍原子作爲獨立的第二相沈澱出來。
  鉍的角色是非常“有力的”2。人們認爲,鉍的沈澱 - 強化機制通常遵循Mott和Nabbaro應力場理論1,2,因爲所測得的合金強度與鉍的沈澱體積分數成比例關係。這說明鉍沈澱物的強化作用主要來自長期內部應力。
  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu可能具有最細的微結構特徵尺寸,這解釋了它的高疲勞壽命和塑性。銀含量高於大約3%預料會增加Ag3Sn顆粒的體積分數,結果強度更高但塑性和疲勞壽命更低。所觀察到的高含銀量的較低疲勞壽命與較大的Ag3Sn顆粒有關,它使Ag3Sn顆粒體積分數更高。據推測,在含有3~3.4%的銀和3~3.1%的鉍的錫/銀/銅/鉍系統中,0.5%的銅最有效地産生適量的、具有最細的微結構尺寸的Cu6Sn5顆粒,因此得到高的疲勞壽命、強度和塑性。
  與63Sn/37Pb的比較
  最佳的化學成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供較高的強度,以及比Sn63/Pb37高出大約200%的疲勞壽命。
  與96.5Sn/3.5Ag的比較
  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu具有209° ~ 212°C的熔點溫度,比共晶的96.5Sn/3.5Ag低9°C。比較它們基本的機械性能,最佳成分在強度和疲勞壽命上表現較好,如高出大約155%的疲勞壽命。它的塑性比96.5Sn/3.5Ag低,但足夠。
  與99.3Sn/0.7Cu的比較
  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu比99.3Sn/0.7Cu表現出好得多的強度與疲勞壽命,但塑性較低。其熔點溫度比96.5Sn/3.5Ag低15°C。
  與Sn/Ag/Cu的比較
  甚至是與錫/銀/銅系統中的最佳性能的化學成分(96.1Sn/3.1Ag/0.5Cu)相比較時,93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu表現出高得多的強度(屈服強度與抗拉強度)。其疲勞壽命較低,但還是優越於其他二元焊錫。
  錫/銀/銅/鉍系統超過錫/銀/銅系統最重要的優點是較低的熔化溫度。最佳成分提供比錫/銀/銅共晶熔點(216 ~ 217°C)低至少5°C。這種錫/銀/銅共晶合金熔化溫度還太高,不能適應當今SMT結構下的各種電路板的應用(熔化溫度低於215°C更現實一點)。
  推薦
  熔化比錫/銀/銅共晶合金低幾度,錫/銀/銅/鉍化學成分在表面貼裝製造中處於優勢的位置。考慮到各種印刷電路板(PCB)裝配與過程窗口的要求,具有低於215°C熔點的合金對保持已建立的SMT結構的可製造性是必要的。
  錫/銀/銅/鉍系統中最佳的無鉛焊錫化學成分是93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu。它具有比63Sn/37Pb更高的強度和疲勞阻抗,而塑性方面也不遜色。其相對較低的熔化溫度(209~212°C)、狹窄的粘滯範圍(小於或等於3°C)和熔濕(wetting)性能特別適合於作爲表面貼裝應用中的63Sn/37Pb的替代品。該合金也具有比任何二元合金(63Sn/37Pb或96.5Sn/3.5Ag或99.3Sn/0.7Cu)更高的強度。
  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu是值得考慮與評估的63Sn/37Pb替代候選合金。

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