无铅焊料合金与焊剂

无铅焊料合金与焊剂4/21/20231第1页，共24页，2023年，2月20日，星期六对比63Sn/37Pb

Comparewith63Sn/37Pb更高的熔点：高30-40℃，工艺窗口小；更高的价格：1.5-4倍；浸润性差、润湿性差；设备腐蚀强；容易氧化；焊点外观差；焊点气孔多（特别是有铅无铅混用）；缺陷多（定位效应差）；HigherM.P.:up30-40℃，NarrowProcessWindow；HigherCost:1.5-3.0times；LowerWetting-ability；HigherDeviceErosionRate；OxidizedEasily；BadJointAppearance;MoreHoleinJoint;MoreDefects；4/21/20232第2页，共24页，2023年，2月20日，星期六典型无铅焊料合金体系

TypicalLead-freeSoldersAlloySystem合金系AlloySystem熔化区间MeltingRange优点Advantages缺点ShortagesSn-Ag-Cu~217℃综合性能优对不锈钢的溶蚀力强，成本高。Sn-Cu~227℃低成本，综合性能优良。熔点偏高。Sn-Bi~139℃低熔点，低成本。脆性高，易与铅形成低熔点相。Sn-Zn~197℃低熔点，低成本，机械强度优。极易氧化，容易晶界腐蚀。Sn-Ag~221℃综合性能优。对不锈钢熔蚀力强，成本高、熔点偏高。Sn-Sb~238℃综合性能优。熔点太高。4/21/20233第3页，共24页，2023年，2月20日，星期六通用无铅焊料对比

CommercialLead-freeSolder

Sn-Ag-CuAlloySn-CuAlloyM.P.Up34℃Up44℃Cost3.0~4.0X1.5~1.8XWettingLowLowerErosionHigherHighOxidizedEasierEasyAppearanceMoreFineCrackFineCrack//MoreCoarseCoarseApplicationReflow/WaveWave4/21/20234第4页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement针对无铅焊料的缺点：

1、改善焊料合金——通过合金成分调整；

2、新型助焊剂——活性与可靠性的结合；

3、新焊接工艺——更精确的控制，更多的保证手段；FocusontheWeakness:

1、Alloy——AdjusttheComposition；2、NewFlux——HighActiveCombinewithHighReliability；3、Process——Moreaccuracycontrol,Moreguaranteemeasure；4/21/20235第5页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement针对波峰焊

1、推荐使用Sn-Cu系：

Cost/Oxidized/Erosion/Appearance/Reliability；

2、Sn-Cu的改进：加入微量金属Ti进行调质，Sn-Cu-Ti；

3、Sn-Cu-Ti达到的效果：

A、设备（尤其是锡槽）的熔蚀作用低；

B、熔融状态下的不容易氧化，出渣量低；

C、对铜的熔蚀率极低；

D、晶粒细密，焊点强度增高，抗蠕变能力增强；

E、表面光亮，减少表面微裂纹现象的发生；4/21/20236第6页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

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；4/21/20237第7页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti合金性能1、M.P.：~227℃；2、比重：7.3g/cm3；3、抗拉强度：＞36M.Pa；4、延伸率：＞25%；5、电阻率：0.128μΩm；6、扩展率：＞80%；7、离子迁移：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)4/21/20238第8页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement设备腐蚀原理：

Sn+Fe金属化合物层的锡层；高温冲刷；材质与腐蚀：

304﹥316﹥镀层（N化）﹥Ti合金﹥Ti主要腐蚀部位：

喷嘴、导流槽、搅拌桨腐蚀对比：

SAC≥SC≥SCN﹥SCT(255℃下，500转/min，半年，称失重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。)4/21/20239第9页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的熔铜速率对比：4/21/202310第10页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的金相对比：基体为β-Sn,白色条/块状为Sn-Cu化合物Sn-Cu-TiSn-Cu4/21/202311第11页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的外观对比：4/21/202312第12页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Cu-Ti的出渣量对比：锡渣生成速率来源两个部分的影响:1Sn的氧化形成锡渣(Sn-O)2铜含量超过其合金系的饱和状态,多余部分沉积析出产生锡渣(Sn5Cu6)4/21/202313第13页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementTi的作用原理：

1、Ti原子晶核—晶粒细化—表面光亮/强度提高/提高抗蠕变性能—提高焊点的可靠性；

2、Ti形成钛酸盐离子，在液态无铅焊料表面富集，形成极薄的一层膜，隔绝空气与无铅焊料接触；同时，Ti是活泼金属，一定程度上可以提高无铅焊锡的可焊性；TiWorkingTheory：

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

2、Onthemoltenlead-freesoldersurfaceisenrichedwithTiSaltIons.Theyformathinfilmandisolatethesolderfromair；Asaactivemetal,Ticanimprovethewettingabilityoflead-freesolder.4/21/202314第14页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅波峰焊工艺曲线

ProfileofLead-freeWaveSoldering无铅波峰焊温度曲线Lead-freeWave-solderingProfile(Sn-Cu-Ti,1100mm/min)4/21/202315第15页，共24页，2023年，2月20日，星期六Sn-Cu-Ti的波峰焊工艺参数

ParameterofSn-Cu-TiWaveSolderingSn-Cu-Ti波峰焊工艺1、锡缸温度（℃）:245-2702、预热区长度（mm）:1600-18003、预热温度（℃）:第一段100-120；第二段：120-1504、板速度（mm/min）:1100-14005、波间温度落差（℃）：<706、过锡总时间(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):2-54/21/202316第16页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement针对Sn-Ag-Cu焊锡膏：

1、降低成本—减少Ag含量；

2、降低M.P.—加入Bi(<3%)/In；

3、改善晶粒尺寸及晶格结构—加入微量元素调质，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）4/21/202317第17页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-Ag-Cu-Bi合金性能1、M.P.：209~212℃；2、比重：~7.6g/cm3；3、抗拉强度：＞70M.Pa；4、延伸率：＞20%；5、电阻率：0.148μΩm；6、扩展率：＞75%；7、离子迁移：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)4/21/202318第18页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-1.0Ag-0.7Cu-3.0Bi回流曲线：4/21/202319第19页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovementSn-1.0Ag-0.7Cu-3.0Bi可靠性测试ReliabilityTest：

-45℃~120℃1000cycle1hour/cycle4/21/202320第20页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料的改善

Lead-freeSolderImprovement侧推试验：锡须测试：条件：-25℃~120℃,1000cycle,1cycle/hour——Pass绝缘电阻：条件:40℃,90%,168h——＞1011ΩChipJointShearTest:TinWhiskerTest:Condition:-25℃~120℃,1000cycle,1cycle/hour——PassS.I.R.:Condition:40℃,90%,168h——＞1011Ω4/21/202321第21页，共24页，2023年，2月20日，星期六无铅焊料助焊剂的研发

R&DonLead-freeSolderFlux新工艺要求新型的焊剂：

1、高的预热温度：合理的溶剂挥发温度，合适的中温活性；

2、高的反应温度：更高的活化温度要求新型的活化剂；

3、合适的活性：保证理想焊接效果的同时尽量低的危害；

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

1、HigherPre-heatTemp.：

SuitableSolventVolatilizingTemp.,Su