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weijiao木蟲 (正式寫手)
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[交流]
150℃下使用的無鉛焊錫：為車載基板開辟新路 已有7人參與
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采用擁有豐富經驗的In 在焊錫合金的晶格中溶入添加元素的固溶強化方法，其開發(fā)以材料廠商為中心日趨活躍。實際上已有通過添加Ni、Ge、Sb等元素來實現固溶強化的多項無鉛焊錫方案被提出。 而松下將著眼點放在了以In為添加元素的固溶強化方法上。原因在于，In是可用于固溶強化的元素中對Sn相（焊錫的基礎材料）的固溶度*較大的元素，而且松下自上世紀90年代前半期就通過無鉛焊錫開發(fā)在In方面積累了豐富的經驗。 *固溶度＝某元素能夠以元素水平溶入其他元素的最大量。添加量多于這一數量時就會析出。 實際上，1998年松下在便攜MD播放器上導入世界首例無鉛焊錫時使用的就是Sn-3.5Ag-0.5Bi-3In成分的焊錫。采用Sn-Ag-Bi-In四元類成分這一點與此次的無鉛焊錫相同。 當時為了開發(fā)出熔融溫度比Sn-3Ag-0.5Cu低的焊錫材料，在Sn-Ag焊錫中添加了Bi和In。另外，作為熔融溫度進一步降低的材料，還開發(fā)了Sn-3.5Ag-0.5Bi-8In，松下由此于2003年3月在全世界首次使全部自有品牌商品的焊錫接合部實現了無鉛化。這樣，松下很早便在In方面積累起了經驗。 說起來，當時日本國內供應的In有85％被平板電視的顯示器用于透明導電膜的ITO材料，業(yè)內普遍擔心In資源會因平板電視產量增加而陷入枯竭。但最近隨著循環(huán)再利用技術的進步，日本國內的In需求有50％以上可通過循環(huán)再利用品來滿足。對In供應的擔憂之聲逐漸減少。 In添加量以6％為最佳 此次考慮將In作為固溶強化的添加元素時，需要重新優(yōu)化In的添加量。原因如下。 Sn-Ag-Bi-In成分的無鉛焊錫在超過一定溫度的高溫環(huán)境下，合金組織會發(fā)生從β-Sn向γ-Sn的相變。β-Sn的金屬晶格為面心立方結構。而γ-Sn為六方最密堆積結構。因此，相變的發(fā)生會使體積變化，導致焊錫合金變得脆弱，從而產生裂紋。發(fā)生相變的溫度會隨著焊錫中含有的In量而變化。 因此，松下采用DSC（Differential Scanning Calorimetry，差示掃描量熱法），定量性評測了由In量的不同引起的Sn-Ag-Bi-In的相變。為了研究安裝后的焊錫合金的變化，通過DSC分析了從實際安裝在基板上的芯片的焊腳中采取的試樣（圖4）。 圖4：In添加加與相變溫度的關系 圖中顯示了對Sn-Ag-Bi的In添加量與相變溫度的關系。In添加量在6％以下時，相變溫度為150℃以上。 結果證實，In用量為4％的Sn-Ag-Bi-4In的焊錫中采取的試樣在189℃出現吸熱峰，也就是說發(fā)生了相變。另外，In用量為6％的Sn-Ag-Bi-6In在165℃、In用量為8％的Sn-Ag-Bi-8In在127℃出現相同情況，表明隨著In添加量的增加，相變溫度在降低。 要想實現可在發(fā)動機附近的溫度環(huán)境下使用的焊錫，就必須要采用可承受150℃的材料。因此，Sn-Ag-Bi-8In存在因相變而導致焊錫脆弱化的危險。而Sn-Ag-Bi-4In和Sn-Ag-Bi-6In雖然相變溫度的吸熱峰都在150℃以上，但只有In的添加量越多，機械強度才會越高，才容易在車載用途中實現長期可靠性。因此松下判斷In添加量為6％的Sn-Ag-Bi-6In最適合。 150℃下顯示出特殊的合金特性 這樣，松下便開發(fā)了Sn-Ag-Bi-6In，并進行了實際評測。首先為評測機械特性，在室溫及設想發(fā)動機室內的150℃的高溫環(huán)境下實施了拉伸試驗（圖5）。 結果顯示，在室溫下，Sn-Ag-Bi-6In與Sn-3Ag-0.5Cu相比，0.2％屈服強度*較高，斷裂伸長率*較小，焊錫材料變硬。可以說這是利用In實施固溶強化的結果。由可以判斷，Sn-Ag-Bi-6In在室溫環(huán)境下不易非彈性變形，不易出現合金劣化。 *0.2％屈服強度＝產生0.2％永久變形時的應力。被用作材料變形難易度的指標。 *斷裂伸長率＝在拉伸下直至斷裂的變形量。 而在150℃環(huán)境下，0.2％屈服強度與室溫下一樣，Sn-Ag-Bi-6In較高，而且斷裂伸長率也是Sn-Ag-Bi-6In較高（圖5（b））。由此可以判斷，Sn-Ag-Bi-6In在150℃的溫度下不易非彈性變形，不易發(fā)生合金劣化，而且由于伸長率高，因此在達到斷裂程度之前有很大的余度。 可滿足車載性能指標的接合可靠性 接著，松下設想發(fā)動機室內的環(huán)境，以－40℃和150℃下各30分鐘為條件實施了耐熱循環(huán)試驗。試樣采用的是Sn-Ag-Bi-xIn（x＝4、6、8）和Sn-3Ag-0.5Cu。用這些焊錫安裝了尺寸從1005到5750的Sn電極電容器以及1608、2012尺寸的電阻器。然后將安裝基板放入試驗槽，對焊錫合金是否產生裂紋進行了評測（圖6）。 結果顯示，使用Sn-3Ag-0.5Cu的試樣中裂紋擴大，在1000次循環(huán)后就出現了斷線（圖6（a））。而使用Sn-Ag-Bi-4In的試樣與Sn-3Ag-0.5Cu相比，裂紋較短，情況得到改善（圖6（b））。而且，使用Sn-Ag-Bi-6In的試樣，其焊錫接合部沒有產生裂紋（圖6（c））。另外，使用Sn-Ag-Bi-8In的試樣與其他試樣相比，焊腳形狀變化較大，裂紋長度與Sn-3Ag-0.5Cu為同等水平（圖6（d））。 圖6：耐熱循環(huán)試驗后的接合部截面 圖中為1000次-40℃/150℃耐熱循環(huán)試驗后與5750尺寸電容器的接合部的截面SEM照片。（a）～（d）的接合材料各不相同。 此外，松下還對1000次循環(huán)后各部件尺寸下有無裂紋進行了調查（表2）。結果顯示，使用Sn-3Ag-0.5Cu、Sn-Ag-Bi-4In、Sn-Ag-Bi-8In的試樣隨著電容器、電阻器部件尺寸變大而產生了裂紋。但使用Sn-Ag-Bi-6In的試樣無論什么部件尺寸的焊錫接合部都未產生裂紋。 從這些結果可以確認，Sn-Ag-Bi-6In是抗熱疲勞特性出色的無鉛焊錫。 今后還將通過In以外的元素來降低成本 目前，松下正以應用于商品為目標，在日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）扶持下，對開發(fā)的無鉛焊錫進行可靠性相關數據的積累。 今后要改善的是如上所述的合金成本問題。松下在In以外還發(fā)現了數種具有固溶強化功能的元素，打算開發(fā)使用這些元素來減少In及Ag等昂貴元素添加量的新型焊錫。 |
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