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无铅焊锡选择:锡/银/铜/铋系统

2019-10-30


        无铅选择:锡/银/铜/铋系统:

 

  “化学成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供更高的强度,以及比63Sn/37Pb高大约200%的疲劳寿命。”


  锡/银/铜/铋的化学成分,从SMT制造的观点来看,是很有用的,特别是因为它提供较低的回流温度,这是需要的关键所在。


1、化学成分

  在锡/银/铜/铋系统中的三个元素都会影响所得合金的熔点1,2。目标是要减少所要求的回流温度;找出在这个四元系统中每个元素的配剂,同时将机械性能维持在所希望的水平上,这是难以致信的复杂追求,也是科学上吸引人的地方。

  以下是在实际配剂范围内一些有趣的发现(所有配剂都以重量百分比表示):


熔化温度随着铜的增加而下降,在0.5%时达到Z小。超过0.5%的铜,熔化温度几乎保持不变。

类型地,当增加银时熔化温度下降,在大约3.0%时达到Z小。当银从3.0%增加到4.7%时合金熔化温度的减少可以忽略。

铋对进一步减少熔化温度起主要作用。可是,可加入的铋的量是有限的,因为它对疲劳寿命和塑性有非常大的破坏作用。适当的铋的量大约为3~3.5%。

  美国专利 5,520,752 透露了一种从锡/银/铋/铜所选的无铅合金:在重量上,大约86~97%的锡、大约0.3~4.5%的银、大约0~9.3%的铟、大约0~4.8%的铋和大约0~5%的铜。3

  在3.0~3.1%的铋和3.0~3.4%的银、0.5%的铜时,Z有效地增加疲劳寿命。再增加任何铜都不会影响疲劳寿命。

  当铋保持在3~3.1%和铜在0.5~2%时,3.1%的银是达到疲劳寿命的Z有效的配剂。

  在系统化设计出来的化学成分之中,显示所希望性能的平衡,即,熔化温度、强度、塑性和疲劳寿命。


2、基本的特性与现象

  基于Sn/Ag与Sn/Cu的二元相图,银与锡之间的相互作用形成一种Ag3Sn的金属间化合物,而铜与锡反应形成Cu6Sn5的金属间化合物。对锡/铋相互作用,预料铋原子作为替代原子进入晶格位置达1.0%;超过1.0%之后,铋原子作为独立的第二相沉淀出来。

  铋的角色是非常“有力的”2。人们认为,铋的沉淀 - 强化机制通常遵循Mott和Nabbaro应力场理论1,2,因为所测得的合金强度与铋的沉淀体积分数成比例关系。这说明铋沉淀物的强化作用主要来自长期内部应力。

  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu可能具有Z细的微结构特征尺寸,这解释了它的高疲劳寿命和塑性。银含量高于大约3%预料会增加Ag3Sn颗粒的体积分数,结果强度更高但塑性和疲劳寿命更低。所观察到的高含银量的较低疲劳寿命与较大的Ag3Sn颗粒有关,它使Ag3Sn颗粒体积分数更高。据推测,在含有3~3.4%的银和3~3.1%的铋的锡/银/铜/铋系统中,0.5%的铜Z有效地产生适量的、具有Z细的微结构尺寸的Cu6Sn5颗粒,因此得到高的疲劳寿命、强度和塑性。


  与63Sn/37Pb的比较

  化学成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供较高的强度,以及比Sn63/Pb37高出大约200%的疲劳寿命。


  与96.5Sn/3.5Ag的比较

  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu具有209° ~ 212°C的熔点温度,比共晶的96.5Sn/3.5Ag低9°C。比较它们基本的机械性能,成分在强度和疲劳寿命上表现较好,如高出大约155%的疲劳寿命。它的塑性比96.5Sn/3.5Ag低,但足够。


  与99.3Sn/0.7Cu的比较

  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu比99.3Sn/0.7Cu表现出好得多的强度与疲劳寿命,但塑性较低。其熔点温度比96.5Sn/3.5Ag低15°C。


  与Sn/Ag/Cu的比较

  甚至是与锡/银/铜系统中的性能的化学成分(95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu)相比较时,93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu表现出高得多的强度(屈服强度与抗拉强度)。其疲劳寿命较低,但还是优越于其它二元焊锡。

  锡/银/铜/铋系统超过锡/银/铜系统Z重要的优点是较低的熔化温度。成分提供比锡/银/铜共晶熔点(216 ~ 217°C)低至少5°C。这种锡/银/铜共晶合金熔化温度还太高,不能适应当今SMT结构下的各种电路板的应用(熔化温度低于215°C更现实一点)。


  推荐

  熔化比锡/银/铜共晶合金低几度,锡/银/铜/铋化学成分在表面贴装制造中处于优势的位置。考虑到各种印刷电路板(PCB)装配与过程窗口的要求,具有低于215°C熔点的合金对保持已建立的SMT结构的可制造性是必要的。

  锡/银/铜/铋系统中的无铅焊锡化学成分是93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu。它具有比63Sn/37Pb更高的强度和疲劳阻抗,而塑性方面也不逊色。其相对较低的熔化温度(209~212°C)、狭窄的粘滞范围(小于或等于3°C)和熔湿(wetting)性能特别适合于作为表面贴装应用中的63Sn/37Pb的替代品。该合金也具有比任何二元合金(63Sn/37Pb或96.5Sn/3.5Ag或99.3Sn/0.7Cu)更高的强度。

  93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu是值得考虑与评估的63Sn/37Pb替代候选合金。

 

系统

  “化学成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供更高的强度,以及比63Sn/37Pb高大约200%的疲劳寿命。”


  锡/银/铜/铋的化学成分,从SMT制造的观点来看,是很有用的,特别是因为它提供较低的回流温度,这是需要的关键所在。


3、化学成分

  在锡/银/铜/铋系统中的三个元素都会影响所得合金的熔点1,2。目标是要减少所要求的回流温度;找出在这个四元系统中每个元素的配剂,同时将机械性能维持在所希望的水平上,这是难以致信的复杂追求,也是科学上吸引人的地方。

  以下是在实际配剂范围内一些有趣的发现(所有配剂都以重量百分比表示):


熔化温度随着铜的增加而下降,在0.5%时达到Z小。超过0.5%的铜,熔化温度几乎保持不变。

类型地,当增加银时熔化温度下降,在大约3.0%时达到Z小。当银从3.0%增加到4.7%时合金熔化温度的减少可以忽略。

铋对进一步减少熔化温度起主要作用。可是,可加入的铋的量是有限的,因为它对疲劳寿命和塑性有非常大的破坏作用。适当的铋的量大约为3~3.5%。

  美国专利 5,520,752 透露了一种从锡/银/铋/铜所选的无铅合金:在重量上,大约86~97%的锡、大约0.3~4.5%的银、大约0~9.3%的铟、大约0~4.8%的铋和大约0~5%的铜。3

  在3.0~3.1%的铋和3.0~3.4%的银、0.5%的铜时,Z有效地增加疲劳寿命。再增加任何铜都不会影响疲劳寿命。

  当铋保持在3~3.1%和铜在0.5~2%时,3.1%的银是达到疲劳寿命的Z有效的配剂。

  在系统化设计出来的化学成分之中,显示所希望性能的平衡,即,熔化温度、强度、塑性和疲劳寿命。


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