| 無(wú)鉛選擇：錫/銀/銅/鉍系統(tǒng) |
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錫/銀/銅/鉍的最佳化學(xué)成分，從SMT制造的觀點(diǎn)來(lái)看，是很有用的，特別是因?yàn)樗峁┹^低的回流溫度，這是需要的關(guān)鍵所在。
最佳化學(xué)成分
在錫/銀/銅/鉍系統(tǒng)中的三個(gè)元素都會(huì)影響所得合金的熔點(diǎn)1,2。目標(biāo)是要減少所要求的回流溫度；找出在這個(gè)四元系統(tǒng)中每個(gè)元素的最佳配劑，同時(shí)將機(jī)械性能維持在所希望的水平上，這是難以致信的復(fù)雜追求，也是科學(xué)上吸引人的地方。
以下是在實(shí)際配劑范圍內(nèi)一些有趣的發(fā)現(xiàn)(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(shí)達(dá)到最小。超過(guò)0.5%的銅，熔化溫度幾乎保持不變。
類型地，當(dāng)增加銀時(shí)熔化溫度下降，在大約3.0%時(shí)達(dá)到最小。當(dāng)銀從3.0%增加到4.7%時(shí)合金熔化溫度的減少可以忽略。
鉍對(duì)進(jìn)一步減少熔化溫度起主要作用?？墒?，可加入的鉍的量是有限的，因?yàn)樗鼘?duì)疲勞壽命和塑性有非常大的破壞作用。適當(dāng)?shù)你G的量大約為3~3.5%。
美國(guó)專利 5,520,752 透露了一種從錫/銀/鉍/銅所選的無(wú)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(shí)，最有效地增加疲勞壽命。再增加任何銅都不會(huì)影響疲勞壽命。
當(dāng)鉍保持在3~3.1%和銅在0.5~2%時(shí)，3.1%的銀是達(dá)到最大疲勞壽命的最有效的配劑。
在系統(tǒng)化設(shè)計(jì)出來(lái)的化學(xué)成分之中，顯示所希望性能的最好平衡，即，熔化溫度、強(qiáng)度、塑性和疲勞壽命。
基本的特性與現(xiàn)象
基于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(yīng)形成Cu6Sn5的金屬間化合物。對(duì)錫/鉍相互作用，預(yù)料鉍原子作為替代原子進(jìn)入晶格位置達(dá)1.0%；超過(guò)1.0%之后，鉍原子作為獨(dú)立的第二相沉淀出來(lái)。
鉍的角色是非常“有力的”2。人們認(rèn)為，鉍的沉淀 - 強(qiáng)化機(jī)制通常遵循Mott和Nabbaro應(yīng)力場(chǎng)理論1,2，因?yàn)樗鶞y(cè)得的合金強(qiáng)度與鉍的沉淀體積分?jǐn)?shù)成比例關(guān)系。這說(shuō)明鉍沉淀物的強(qiáng)化作用主要來(lái)自長(zhǎng)期內(nèi)部應(yīng)力。
93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu可能具有最細(xì)的微結(jié)構(gòu)特征尺寸，這解釋了它的高疲勞壽命和塑性。銀含量高于大約3%預(yù)料會(huì)增加Ag3Sn顆粒的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果強(qiáng)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(guān)，它使Ag3Sn顆粒體積分?jǐn)?shù)更高。據(jù)推測(cè)，在含有3~3.4%的銀和3~3.1%的鉍的錫/銀/銅/鉍系統(tǒng)中，0.5%的銅最有效地產(chǎn)生適量的、具有最細(xì)的微結(jié)構(gòu)尺寸的Cu6Sn5顆粒，因此得到高的疲勞壽命、強(qiáng)度和塑性。
與63Sn/37Pb的比較
最佳的化學(xué)成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供較高的強(qiáng)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(diǎn)溫度，比共晶的96.5Sn/3.5Ag低9°C。比較它們基本的機(jī)械性能，最佳成分在強(qiáng)度和疲勞壽命上表現(xiàn)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(xiàn)出好得多的強(qiáng)度與疲勞壽命，但塑性較低。其熔點(diǎn)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(tǒng)中的最佳性能的化學(xué)成分(95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu)相比較時(shí)，93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu表現(xiàn)出高得多的強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度)。其疲勞壽命較低，但還是優(yōu)越于其它二元焊錫。
錫/銀/銅/鉍系統(tǒng)超過(guò)錫/銀/銅系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)是較低的熔化溫度。最佳成分提供比錫/銀/銅共晶熔點(diǎn)(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(yīng)當(dāng)今SMT結(jié)構(gòu)下的各種電路板的應(yīng)用(熔化溫度低于215°C更現(xiàn)實(shí)一點(diǎn))。
推薦
熔化比錫/銀/銅共晶合金低幾度，錫/銀/銅/鉍化學(xué)成分在表面貼裝制造中處于優(yōu)勢(shì)的位置?？紤]到各種印刷電路板(PCB)裝配與過(guò)程窗口的要求，具有低于215°C熔點(diǎn)的合金對(duì)保持已建立的SMT結(jié)構(gòu)的可制造性是必要的。
錫/銀/銅/鉍系統(tǒng)中最佳的無(wú)鉛焊錫化學(xué)成分是93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu。它具有比63Sn/37Pb更高的強(qiáng)度和疲勞阻抗，而塑性方面也不遜色。其相對(duì)較低的熔化溫度(209~212°C)、狹窄的粘滯范圍(小于或等于3°C)和熔濕(wetting)性能特別適合于作為表面貼裝應(yīng)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(qiáng)度。
93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu是值得考慮與評(píng)估的63Sn/37Pb替代候選合金。
2005-12-21 國(guó)際電子商情
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