無鉛焊料合金與焊劑

無鉛焊料合金與焊劑第1頁/共24頁2023/4/132對比63Sn/37Pb

Comparewith63Sn/37Pb更高的熔點：高30-40℃，工藝窗口小；更高的價格：1.5-4倍；浸潤性差、潤濕性差；設備腐蝕強；容易氧化；焊點外觀差；焊點氣孔多（特別是有鉛無鉛混用）；缺陷多（定位效應差）；HigherM.P.:up30-40℃，NarrowProcessWindow；HigherCost:1.5-3.0times；LowerWetting-ability；HigherDeviceErosionRate；OxidizedEasily；BadJointAppearance;MoreHoleinJoint;MoreDefects；第2頁/共24頁2023/4/133典型無鉛焊料合金體系

TypicalLead-freeSoldersAlloySystem合金系AlloySystem熔化區(qū)間MeltingRange優(yōu)點Advantages缺點ShortagesSn-Ag-Cu~217℃綜合性能優(yōu)對不銹鋼的溶蝕力強，成本高。Sn-Cu~227℃低成本，綜合性能優(yōu)良。熔點偏高。Sn-Bi~139℃低熔點，低成本。脆性高，易與鉛形成低熔點相。Sn-Zn~197℃低熔點，低成本，機械強度優(yōu)。極易氧化，容易晶界腐蝕。Sn-Ag~221℃綜合性能優(yōu)。對不銹鋼熔蝕力強，成本高、熔點偏高。Sn-Sb~238℃綜合性能優(yōu)。熔點太高。第3頁/共24頁2023/4/134通用無鉛焊料對比

CommercialLead-freeSolder

Sn-Ag-CuAlloySn-CuAlloyM.P.Up34℃Up44℃Cost3.0~4.0X1.5~1.8XWettingLowLowerErosionHigherHighOxidizedEasierEasyAppearanceMoreFineCrackFineCrack//MoreCoarseCoarseApplicationReflow/WaveWave第4頁/共24頁2023/4/135無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement針對無鉛焊料的缺點：

1、改善焊料合金——通過合金成分調(diào)整；

2、新型助焊劑——活性與可靠性的結合；

3、新焊接工藝——更精確的控制，更多的保證手段；FocusontheWeakness:

1、Alloy——AdjusttheComposition；

2、NewFlux——HighActiveCombinewithHighReliability；

3、Process——Moreaccuracycontrol,Moreguaranteemeasure；第5頁/共24頁2023/4/136無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement針對波峰焊

1、推薦使用Sn-Cu系：

Cost/Oxidized/Erosion/Appearance/Reliability；

2、Sn-Cu的改進：加入微量金屬Ti進行調(diào)質(zhì)，Sn-Cu-Ti；

3、Sn-Cu-Ti達到的效果：

A、設備（尤其是錫槽）的熔蝕作用低；

B、熔融狀態(tài)下的不容易氧化，出渣量低；

C、對銅的熔蝕率極低；

D、晶粒細密，焊點強度增高，抗蠕變能力增強；

E、表面光亮，減少表面微裂紋現(xiàn)象的發(fā)生；第6頁/共24頁2023/4/137無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementToWaveSoldering1、RecommendSn-CuAlloy：

Cost/Oxidized/Erosion/Appearance/Reliability；

2、ImproveSn-CuAlloy：byTiadding，Sn-Cu-Ti；

3、ImprovedEffectfromSn-Cu-Ti：

A、LowerErosionRatetoEquipment；

B、LowerOxidizedRate&DrossRateunderMoltenState；

C、LowerErosionRatetoCopper；

D、FinerGrainSize，HigherJointTensileStrength，Highercreep-resistingability；

E、ShiningAppearance，littleFineCrack；第7頁/共24頁2023/4/138無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti合金性能1、M.P.：~227℃；2、比重：7.3g/cm3；3、抗拉強度：＞36M.Pa；4、延伸率：＞25%；5、電阻率：0.128μΩm；6、擴展率：＞80%；7、離子遷移：Pass；(85,℃,85%RH,1000hr)Sn-Cu-TiAlloyProperties

1、M.P.：~227℃；2、S.G：7.3g/cm3；3、TensileStrength：＞36M.Pa；4、Elongation：＞25%；5、ResistanceRate：0.128μΩm；6、Spread：＞80%；7、IonsImmigration：Pass；(85,℃,85%RH,1000hr)第8頁/共24頁2023/4/139無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement設備腐蝕原理：

Sn+Fe金屬化合物層的錫層；高溫沖刷；材質(zhì)與腐蝕：

304﹥316﹥鍍層（N化）﹥Ti合金﹥Ti主要腐蝕部位：

噴嘴、導流槽、攪拌槳腐蝕對比：

SAC≥SC≥SCN﹥SCT(255℃下，500轉(zhuǎn)/min，半年，稱失重18g﹥16g﹥15g﹥8g。)ErodedTheoryofFacility：

Sn+FeIMCLayer；HighTemp.Wash；Materials&Eroded：

304﹥316﹥Coating（NitrideLayer）﹥TiAlloy﹥TiMainErodedParts：

nozzle/launder/stirrerErodeddifference：

SAC≥SC≥SCN﹥SCT(255℃，500r/min，HalfYear，LostWeight18g﹥16g﹥15g﹥8g。)第9頁/共24頁2023/4/1310無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的熔銅速率對比：第10頁/共24頁2023/4/1311無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的金相對比：基體為β-Sn,白色條/塊狀為Sn-Cu化合物Sn-Cu-TiSn-Cu第11頁/共24頁2023/4/1312無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的外觀對比：第12頁/共24頁2023/4/1313無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的出渣量對比：錫渣生成速率來源兩個部分的影響:1Sn的氧化形成錫渣(Sn-O)2銅含量超過其合金系的飽和狀態(tài),多余部分沉積析出產(chǎn)生錫渣(Sn5Cu6)第13頁/共24頁2023/4/1314無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementTi的作用原理：

1、Ti原子晶核—晶粒細化—表面光亮/強度提高/提高抗蠕變性能—提高焊點的可靠性；

2、Ti形成鈦酸鹽離子，在液態(tài)無鉛焊料表面富集，形成極薄的一層膜，隔絕空氣與無鉛焊料接觸；同時，Ti是活潑金屬，一定程度上可以提高無鉛焊錫的可焊性；TiWorkingTheory：

1、TiasCored—FineGrain—ShiningAppearance/ImproveTensileStrength/ImproveCreepResistance—ImprovetheReliabilityofJoints；

2、Onthemoltenlead-freesoldersurfaceisenrichedwithTiSaltIons.Theyformathinfilmandisolatethesolderfromair；Asaactivemetal,Ticanimprovethewettingabilityoflead-freesolder.第14頁/共24頁2023/4/1315無鉛波峰焊工藝曲線

ProfileofLead-freeWaveSoldering無鉛波峰焊溫度曲線Lead-freeWave-solderingProfile(Sn-Cu-Ti,1100mm/min)第15頁/共24頁2023/4/1316Sn-Cu-Ti的波峰焊工藝參數(shù)

ParameterofSn-Cu-TiWaveSolderingSn-Cu-Ti波峰焊工藝1、錫缸溫度（℃）:245-2702、預熱區(qū)長度（mm）:1600-18003、預熱溫度（℃）:

第一段100-120；第二段：120-1504、板速度（mm/min）:1100-14005、波間溫度落差（℃）：<706、過錫總時間(s)：2-5Sn-Cu-TiWaveSolderingProcess1、SolderTemp.(℃):245-2702、PreheatZone(mm):1600-18003、PreheatTemp.(℃):First100-120Second120-1504、ConveySpeed(mm/min):1100-14005、TDropBetweenTwoPeak(℃):<706、SolderingTime(s):2-5第16頁/共24頁2023/4/1317無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement針對Sn-Ag-Cu焊錫膏：

1、降低成本—減少Ag含量；

2、降低M.P.—加入Bi(<3%)/In；

3、改善晶粒尺寸及晶格結構—加入微量元素調(diào)質(zhì)，Re/Ce；

——Sn-1.0Ag-0.7Cu-3.0Bi（Ce、Ti、RareEarths）Sn-Ag-CuSolderPaste：1、ReduceCost—ByLessAg；2、ReduceM.P.—ByAddingBi/In；3、ImproveGrainSize&Structure—ByAddingAlloyElement,Re/Ce；

——Sn-1.0Ag-0.7Cu-3.0Bi（Ce、Ti、RareEarths）第17頁/共24頁2023/4/1318無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Ag-Cu-Bi合金性能1、M.P.：209~212℃；2、比重：~7.6g/cm3；3、抗拉強度：＞70M.Pa；4、延伸率：＞20%；5、電阻率：0.148μΩm；6、擴展率：＞75%；7、離子遷移：Pass；(65,℃,88%RH,1000hr)

Sn-Ag-Cu-BiAlloyProperties1、M.P.：209~212℃；2、S.G：~7.6g/cm3；3、TensileStrength：＞70M.Pa；4、Elongation：＞20%；5、ResistanceRate:0.148μΩm;6、Spread：＞75%；7、ElectrochemicalMigration：Pass；(65,℃,88%RH,1000hr)第18頁/共24頁2023/4/1319無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-1.0Ag-0.7Cu-3.0Bi回流曲線：第19頁/共24頁2023/4/1320無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-1.0Ag-0.7Cu-3.0Bi可靠性測試ReliabilityTest：

-45℃~120℃1000cycle1hour/cycle第20頁/共24頁2023/4/1321無鉛焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement側推試驗：錫須測試：條件：-25℃~120℃,1000cycle,1cycle/hour——Pass絕緣電阻：條件:40℃,90%,168h——＞1011ΩChipJointShearTest:TinWhiskerTest:Condition:-25℃~120℃,1000cycle,1cycle/hour——PassS.I.R.:Condition:40℃,90%,168h——＞1011Ω第21頁/共24頁2023/4/1322無鉛焊料助焊劑的研發(fā)

R&DonLead-freeSolderFlux新工藝要求新型的焊劑：

1、高的預熱溫度：合理的溶劑揮發(fā)溫度，合適的中溫活性；

2、高的反應溫度：更高的活化溫度要求新型的活化劑；

3、合適的活性：保證理想焊接效果的同時盡量低的危害；

4、高的可靠性：高的焊后S.I.R.；NewProcessneedNewFlux：

1、HigherPre-heatTemp.：

Suita