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唯特偶带你了解电子焊料知识

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               常见无铅锡银铜焊料的合金微观组织分析

 

绿色环保是电子信息产品生产的重要指标之一。当前,欧盟、美国和日本等国家或地区均通过了禁止或限制铅在电子行业中应用的立法,设置环保壁垒,加快电子信息产业绿色转型,且随着我国可持续发展战略的实施,绿色环保理念深入人心,而传统微电子焊接材料中铅等元素会对环境及人体健康造成较大影响。在此背景下,改变传统的制造模式、推行绿色制造技术已成为微电子焊接材料行业持续发展的重要途径。当前,为开拓国际市场,保证相关产品符合市场准入条件,我国电子焊料锡膏已经基本实现了无铅化。当前广泛应用的无铅焊料合金有Sn0.3Ag0.7Cu(简称SAC0307)、Sn1.0Ag0.5Cu(简称SAC105)、Sn3.0Ag0.5Cu(简称SAC305)等合金。以上无铅合金中,SAC305的综合性能最为优异,包括力学性能和工艺性能。然而,在实际焊接时,焊料合金润湿被焊元器件和PCB上面的焊盘,随后形成焊接接头,在这个过程中,焊料合金的元素和焊盘表面镀层进行元素扩散交换,形成稳定的焊缝组织,这个焊缝组织会随着Ag含量的不同而略显差异[1-2],进而反映到焊后接头的力学性能差异。这种差异可通过等微量元素的添加进行改善乃至消除。

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01
常见无铅锡银铜焊料的合金微观组织分析

SAC系列合金焊料中,Ag含量的高低直接决定了焊料的微观组织[3],如图1是合金SAC0307的微观组织图片,可以看出在Sn基体中出现少量的Cu6Sn5和Ag3Sn两类金属间化合物IMC[4],此时的IMC呈现不规律的弥散分布状态,IMC粒度较粗;继续提高Ag含量,观察合金SAC105的微观组织如图2所示,可以看出Cu6Sn5和Ag3Sn两类金属间化合物IMC相在Sn基体中分布的范围更广 ,并呈现出近似网格状的分布态势,IMC粒度变细小;继续提高Ag含量,得到合金SAC305的微观组织,如图3所示,可以看出焊料中Ag3Sn相分布更密集,呈现密密麻麻的点状分布,IMC粒度变得更加细小。

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02
无铅锡银铜焊料的焊后微观组织分析

无铅焊料合金在焊接过程中,通过和被焊金属表面润湿铺展,进而进行原子扩散交换,形成稳定的焊接层。其中,在焊料和被焊金属的接触位置会形成金属间化合物IMC。焊料中Ag含量不同导致IMC层的不同状态,具体体现在IMC层的厚度和连续性。如图4是SAC0307的焊接微观图片,可以看出焊缝中IMC层的厚度比较薄且呈现断续的状态;如图5是SAC105的焊接微观图片,可以看出IMC层厚度薄,但呈现连续的状态;如图6是SAC305的焊接微观图片,可以看出IMC层很厚且呈现连续的状态。

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由此可见,随着Ag含量的提高,焊缝中IMC层逐渐增厚,且由不连续的状态变成连续状态。由于IMC层本身很脆,焊后失效断裂的位置也常常位于IMC层,所以在焊接过程中应尽量避免出现较厚的连续IMC层。

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03
无铅焊料的焊后力学性能及失效分析

由于不同Ag含量造成合金的组织不同,合金呈现的力学性能将出现差异,具体如下,随着Ag含量的上升,起弥散强化的金属间化合物相IMC比例上升,提高了合金的力学强度,但这类IMC本身呈现脆性,导致高Ag含量的合金普遍呈现韧性不足,即强度SAC305>SAC105>SAC0307延伸率SAC0307>SAC105>SAC305。无铅锡银铜焊料的力学性能如下表1所示:

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焊后最主要的失效模式之一是断裂,而焊接过程中在焊缝中出现的大量的金属间化合物IMC层是引起失效断裂的主要原因。如图7显示了低Ag无铅焊料焊后的断裂位置,可以看出断裂位置位于焊缝中间区域焊锡层,不属于一般脆性断裂。如图8显示了高Ag无铅焊料焊后的断裂位置,可以看出断裂位置位于焊缝IMC层区域,属于一般脆性断裂。

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END




撰稿:研发技术部

排版:市场营销办

 

化工:助焊剂、清洗剂、稀释剂;

锡膏:SMT专用锡膏、LED专用锡膏、低温散热器锡膏;

三防胶粘:三防漆、三防胶、电子固定胶、导热粘接材料、防腐材料等;

导热材料:导热垫片、导热膏、导电胶、相变材料、导热泥;

锡线、锡条、预成型焊片和焊锡球类

 

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