作者：Balver Zinn & Co. KG GmbH公司技術部主管和區域銷售經理：Paulo Corviseri
引言
自歐盟指令2002/95/EG推出以來，無鉛焊料已商品化，并廣泛應用于電子組裝。對于一些專用的高可靠性產品，如汽車、軍事、航空航天等，含鉛合金仍然是許可的，盡管隨著時間的推移，這些豁免的數量將減少。對于高溫應用，目前可用的無鉛焊料合金可能在可靠性方面存在限制。
電子設備的惡劣環境
暴露在高溫下的電子設備，如在內燃機和動力系統中的電子設備，需要提高性能，以滿足這些苛刻的環境條件要求。除了高溫外，汽車應用中的傳感器和控制器還會受到劇烈振動和其他機械應力的影響。在生產此類產品時，需要考慮到這一點。
焊點老化機理
除了機械應力外，焊點還可能由于溫度的不斷變化而受到熱應力的影響。這種熱應力可能導致合金疲勞斷裂，導致焊點斷裂。
由于不同成分材料的熱膨脹系數（CTE）不同，溫度的變化將導致在金屬間化合物中產生應力。同時，這種熱沖擊增加了焊料中的粗化效應（金屬相的增長），這將使合金更加脆弱。
焊接系統中的強化機制
無鉛焊點由錫基體組成，錫基體的不同相（如Ag3Sn、Cu6Sn5、（CuNi）6Sn5或其他相）由合金和元件材料控制。如果合金體系的結構更為復雜，則不同相的數量和數額也會增加。它們的形成導致非常軟的凝固錫基體。
現在將進一步解釋軟釬焊系統中常用的兩種凝固機制：沉淀強化和固溶強化
沉淀強化
沉淀強化是基于焊料中金屬間化合物相的形成，如Cu6Sn3和Ag3Sn。它們在將元件連接到印制電路板的焊接過程中形成，并且均勻分布在焊點結構中。
由于服役期間電子組件的溫度老化或溫度循環的熱負荷，金屬間化合物相變粗，形成粗糙的微觀結構。這一過程取決于熱循環次數、溫度和溫度下的時間。長時間存在于高溫下會使晶粒結構和金屬間化合物迅速生長，導致焊點脆化和退化。因此，沉淀強化具有有限的熱穩定性。
固溶強化
軟的錫基體的另一種強化機制是加入“外來原子”，干擾錫晶體的規則的晶體結構。
通過選擇原子半徑大于錫的合金元素，可以增強錫原子間的錫基體張力（相當于強度）。
在晶體結構中，Sn原子與外來原子（如Bi）的交換稱為取代。加入外來原子可防止基體中錫原子在負載下發生位錯，從而增強系統。固溶強化不受金屬間化合物相生長和伴隨的粗化效應的影響，并致使焊點具有更大的熱穩定性。
系統和挑戰
二元合金熔點相對較低，如Sn63Pb37為183 ℃，由于電子組裝設備的熱需求增加，它將不再滿足許多客戶的要求。目前的高可靠性合金，例如眾所周知的SAC305合金，含質量分數3的銀和0.5的銅，至少含有3種元素。
為了達到某些特定的高可靠性要求，其他焊料組合物包含了6種元素。然而，盡管這些特殊合金有一些優勢，但由于復雜性的增加，生產過程更加準確。
合金穩定性
通過回流焊、波峰焊、選擇性焊接、機器人焊接或手工焊接工藝，可以實現電子組裝的互連焊接。
這些工藝要求不同的合金形式，這些工藝會影響成分，特別是當合金長時間熔化時如波峰焊和選擇性焊接：合金是否分離？是否有金屬間化合物聚集在錫槽的特定區域？元件熱質量的變化、熱沉效應和不同的冷卻梯度也會影響合金成分：組件中每個焊接點的成分是否是均質的，是否符合規范？
合金形式、價格和資源
為了使生產過程成本效益，采用統一的焊接系統，應提供各種形式和尺寸的焊料。不僅有焊條和實心焊絲，還應該有用于焊膏的粒徑尺寸5～15 μm的焊粉(IPC 6號)、直徑0.3 mm或更小的藥芯焊絲，同時保持性價比。
應考慮合金中的某些元素會影響氧化速率，這對焊膏很重要。此外，生產藥芯焊絲的能力可能有限制，應予以考慮。
昂貴的合金元素，如銀和銦，往往用來實現高可靠性。雖然這些元素只是少量存在，但是它們會對合金的價格產生很大的影響。應始終考慮所有合金元素的長期可用性：焊料是可用的焊料！
SN100CV-鉍的效果
SN100CV是Nihon Superior的一種合金，是獨特的3種焊接系統的組合，在可靠性和經濟實用性之間實現了理想的平衡。
SN100CV將無銀焊接系統與鉍和微摻雜鎳和鍺相結合。鉍通過替代原理增強錫基體，與標準Sn100C合金相比，強度提高了約30，達到甚至超過了標準SAC305（SnAg3Cu0.5）合金的強度。
物理性質、特性和成分
基于共晶焊料成分SnCu0.7Ni0.05Ge0.005，添加1.5的鉍升級SN100C，以注冊商標SN100CV推出。
由于添加了1.5的鉍，SN100C的熔點從共晶227 ℃降低到熔點范圍221 ℃到225 ℃之間。SN100CV將以各種形式提供，如焊膏、藥芯焊絲、實心焊絲和不同形狀的焊條，以適用于所有的焊接工藝。
鉍含量
錫基體中正確的鉍含量對焊點在整個工作溫度范圍內的可靠性至關重要。在室溫下，只有少量的鉍可以溶解。應避免鉍含量超出溶解限值，因為低于溶解度溫度將沉淀。
例如，在高于60 ℃的溫度下，質量分數約6的鉍完全溶解于錫基質中。當焊料冷卻到室溫時，鉍開始沉淀（圖2）。
如果鉍含量在特定的溫度下高于溶解度限值，就會導致合金的微觀結構不穩定。在這種情況下，焊料結構可能包含兩個不同的相，即SnBi晶體和沉淀鉍。
在焊接溫度下進入溶液中的鉍，一旦組件冷卻到溶解度限值以下，可能會沉淀。這被認為是影響焊點可靠性的關鍵現象。
SN100CV含有1.5的非臨界鉍含量，以避免這種沉淀現象，因此可以確保鉍在所有溫度下在合金中完全溶解。
可靠性和熱穩定性
在SN100CV中，鉍增加了焊料的強度。固溶強化導致凝固過程中金屬網格的“聯鎖和扭曲”，使SN100CV熱穩定性非常高。在拉伸強度方面，SN100CV屈服強度和剪切強度達到甚至超過SAC305等含銀合金的標準值。
因此，沉淀強化對SN100CV的熱穩定性沒有顯著影響，而沉淀強化中金屬間化合物相的快速生長會導致脆化。
與之相比，含不同濃度銀的合金在125 ℃下老化2 520 h，顯示出由于“Oswald熟化”導致的沉淀強化限值。在此過程中，Ag3Sn顆粒會長大并使焊料結構變粗。
Weibull分析-公認的評估可靠性的方法
Weibull分析通常與電子組件壽命和失效概率評估結合使用。Weibull分布描述了在真實或模擬條件下考慮老化歷史的電子組件的失效概率。
