軟釬料全方位解讀：大研智造的電子焊接技術(shù)文章

軟釬料在電子制造領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，主要用于電子元器件的焊接工藝。傳統(tǒng)上，錫鉛系合金因其優(yōu)良的焊接性能和低成本而被廣泛使用。然而，鉛的毒性對(duì)環(huán)境和人體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，促使全球范圍內(nèi)對(duì)無鉛釬料的需求日益增長。

一、軟釬料

軟釬料，用于軟釬焊工藝，主要以錫（Sn）為基礎(chǔ)，輔以鉛（Pb）、銅（Cu）、銀（Ag）、鉍（Bi）、銻（Sb）等元素形成的合金。它們分為錫鉛系合金和無鉛合金兩大類。錫鉛系合金，作為傳統(tǒng)軟釬料，以共晶合金Sn63Pb37為代表，其共晶點(diǎn)183℃，具備低熔點(diǎn)、小表面張力、優(yōu)異的銅基材潤濕性及良好導(dǎo)電性，且成本低廉，因此在電子元器件焊接領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

二、無鉛合金的發(fā)展趨勢(shì)

《電器電子產(chǎn)品有害物質(zhì)限制使用管理辦法》

隨著環(huán)境保護(hù)和人體健康意識(shí)的提升，鉛的毒性對(duì)環(huán)境和人體健康構(gòu)成威脅。全球范圍內(nèi)，各國紛紛出臺(tái)法規(guī)推動(dòng)電子產(chǎn)品無鉛化。包括歐盟的WEEE/RoHS指令、日本的《家電回收法》和《資源有效利用促進(jìn)法》、美國的“NEMI無鉛工程”以及中國的《電器電子產(chǎn)品有害物質(zhì)限制使用管理辦法》等。無鉛合金替代錫鉛合金成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

三、無鉛合金的性能要求

無鉛合金在電子組裝行業(yè)應(yīng)用需滿足五項(xiàng)基本要求：1.不含非環(huán)保有毒物質(zhì)；2.熔化溫度接近錫鉛釬料，且熔化溫度區(qū)間窄；3.具備相似或更優(yōu)的焊接性能；4.綜合性能不低于錫鉛釬料；5.成本不顯著高于錫鉛釬料。

四、無鉛釬料的種類及特性

全球已研發(fā)出百余種無鉛釬料，但實(shí)際應(yīng)用的僅十余種。這些無鉛釬料主要是 Sn 與 Bi、Zn、In、Sb、Ag、Cu 等合金元素組成二元、三元甚至是多元合金體系。這些合金元素的金屬單質(zhì)的相對(duì)成本、熔點(diǎn)及其性能見下表。

國內(nèi)外目前研究的無鉛釬料二元合金主要有 Sn-Bi 系、Sn-Zn 系、Sn-In 系、Sn-Ag系、Sn-Cu 系等，三元或多元合金則是基于二元合金，根據(jù)應(yīng)用需求添加其他合金元素形成。

1. Sn-Bi 系：錫鉍二元合金的共晶成分為 Sn-57Bi，熔點(diǎn)為 139℃，是一種低溫?zé)o鉛釬料，其焊接時(shí)比 Sn-Pb 共晶合金所需要的焊接溫度更低，消耗能量更少；Bi 元素可增加軟釬焊材料的潤濕性能，提高材料的抗拉強(qiáng)度；但 Bi 元素使 Sn-Bi 合金呈硬脆性，其延展性較差，耐熱穩(wěn)定性低。這些缺點(diǎn)限制了 Sn-Bi 合金的應(yīng)用范圍。人們通過在 Sn-Bi合金中添加微量的其它合金元素，以改善其延展性。比如加入 1%的 Ag 元素可最大限度提高合金的斷裂延伸率，加入 0.3%的 Sb 元素可提高 Sn-Bi 共晶合金的延展性，加入少量 Cu 可細(xì)化焊點(diǎn)晶粒，增加焊點(diǎn)強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，加入 Re 元素可增加釬料潤濕性，提高焊點(diǎn)強(qiáng)度。

2. Sn-Zn 系：錫鋅二元合金的共晶成分為 Sn-8.8Zn，其熔點(diǎn)為 198.5℃，比 Sn-Pb 共晶合金熔點(diǎn)僅高 15℃，是熔點(diǎn)最接近 Sn-Pb 共晶合金的無鉛釬料合金。該合金的力學(xué)性能良好，其抗拉強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度、延伸率都高于 Sn-Pb 共晶合金。但該釬料合金的潤濕性較差，這是因?yàn)?Sn-Zn 共晶液態(tài)合金表面張力較大，另外 Zn 元素活性較強(qiáng)，在高溫情況下較易被氧化而形成氧化膜，該氧化膜包裹在熔融合金表面，阻礙了釬料在被焊銅基材表面的流動(dòng)和擴(kuò)散，從而難以形成合金。為了改善 Sn-Zn 合金的的潤濕性，可添加 Bi、In 等合金元素。研究表明，加入少量 Bi 元素可改善熔融合金的潤濕性，增加焊接的鋪展面積。In 可以提高合金的潤濕能力，縮短焊接時(shí)的潤濕時(shí)間。

3. Sn-In 系：錫銦二元合金的共晶成分為 Sn-52In,熔點(diǎn)僅 119℃。錫銦共晶合金的韌性、潤濕性、耐疲勞腐蝕性都優(yōu)于錫鉛共晶合金，但由于銦的價(jià)格昂貴，限制了其應(yīng)用。該合金主要用于低溫領(lǐng)域以及需要熱阻小的場合，例如，如玻璃封裝合金、導(dǎo)熱芯片和多芯片模塊等熱界面的連接。

4. Sn-Ag系: 錫銀二元合金的共晶合金含Ag 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，共晶溫度是221℃。錫銀合金中 Ag 含量一般不超過 5%，在此范圍內(nèi)，焊點(diǎn)中生成的 Ag3Sn 金屬間化合物彌散分布于錫組織中，因此焊點(diǎn)具有比 Sn-Pb 共晶合金更高的強(qiáng)度。Sn-Ag 系合金的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變性優(yōu)良，是含鉛釬料最佳的替代材料。通常在 Sn-Ag二元合金中添加 Bi、Sb、In、Cu 等元素組成多元合金，以進(jìn)一步改善其綜合性能。這其中 Sn-Ag-Cu 系因其優(yōu)良的綜合性能得到最多的青睞。通過對(duì)世界主要電子產(chǎn)品制造商的調(diào)查可知，無鉛釬料在波峰焊、回流焊、激光錫焊和手工焊應(yīng)用中，Sn-Ag-Cu 釬料的比例都超過 50%。Sn-Ag-Cu 三元合金的共晶成分熔點(diǎn)比 Sn-Ag 二元共晶熔點(diǎn)更低，可焊性更好，潤濕性有顯著改善。

5. Sn-Cu 系: 錫銅二元共晶合金成分是 Sn0.7Cu,其熔點(diǎn)是 227℃。該合金成分簡單，對(duì)雜質(zhì)元素的敏感度較低；具有成本低，耐熱疲勞腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高溫波峰焊中。但 Sn-Cu 釬料強(qiáng)度較低，潤濕性較差，可通過添加 Bi、Ag、Ni 等元素來改善其綜合力學(xué)性能和釬焊性能。Sn-Cu 合金中加入 Bi 可降低釬料熔點(diǎn)，提高鋪展性能，但Bi 的存在導(dǎo)致釬料電阻率增加，延展性變差，容易產(chǎn)生微裂紋，不適合氣密性封裝。Sn-Cu 合金中加 0.01%左右的 P 元素可以改善其抗氧化性和潤濕性，Sn-Cu 合金中加入 Ag 能提高釬料的潤濕性和綜合力學(xué)性能，加入 Ni 可改善鋪展性能，還可以抗氧化，減少錫渣產(chǎn)生。另外，對(duì)于 Sn-Cu 合金潤濕性，還可以通過匹配活性較高的助焊劑進(jìn)行改善。

下表展示了常用無鉛釬料合金的性能，為無鉛釬料的選用提供基本依據(jù)。

五、應(yīng)用案例

無鉛釬料的實(shí)用性在多個(gè)行業(yè)中得到了驗(yàn)證。在汽車行業(yè)中，Sn-Ag 和 Sn-Cu 合金因其出色的耐熱性和抗振動(dòng)性能，被廣泛應(yīng)用于車載電子設(shè)備的焊接。而在消費(fèi)電子領(lǐng)域，Sn-Ag-Cu 釬料因其卓越的可靠性和性能，已成為智能手機(jī)和筆記本電腦制造的首選材料。這些應(yīng)用案例證明了無鉛釬料在現(xiàn)代電子組裝中的關(guān)鍵作用，并預(yù)示著其在未來電子制造業(yè)中的廣泛滲透。

大研智造激光焊錫機(jī)精密焊接案例

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六、結(jié)論

隨著環(huán)保法規(guī)的加強(qiáng)和公眾對(duì)健康問題的關(guān)注，無鉛釬料的發(fā)展已成為電子制造業(yè)的重要趨勢(shì)。無鉛釬料不僅減少了對(duì)環(huán)境的污染，也保護(hù)了生產(chǎn)線工人的健康。隨著新材料的不斷開發(fā)和焊接技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，無鉛釬料在性能上已逐漸接近甚至超越傳統(tǒng)錫鉛釬料，展現(xiàn)出良好的市場潛力和發(fā)展前景。在未來，我們預(yù)期無鉛釬料將在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域替代傳統(tǒng)釬料，推動(dòng)電子行業(yè)的綠色革命，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

本文由大研智造撰寫，專注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。大研智造是集研發(fā)生產(chǎn)銷售服務(wù)為一體的激光焊錫機(jī)技術(shù)廠家，擁有20年+的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機(jī)在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用，或是有特定的技術(shù)需求，請(qǐng)通過大研智造官網(wǎng)與我們聯(lián)系。歡迎來我司參觀、試機(jī)、免費(fèi)打樣。

審核編輯 黃宇