無(wú)鉛錫膏的成分及*佳合金成分比較
在無(wú)鉛焊錫膏成分,主要是由錫/銀/銅三部分組成,銀和銅鉛而不是原始的成分。
一、根本的特性和現(xiàn)象
在錫/銀/銅系統(tǒng)中，錫與次要元素(銀和銅)之間的冶金反應(yīng)是決定應(yīng)用溫度、固化機(jī)制以及機(jī)械性能的主要因素。按照二元相位圖，在這三個(gè)元素之間有三種可能的二元共晶反應(yīng)。銀與錫之間的一種反應(yīng)在221°C形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。銅與錫反應(yīng)在227°C形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。銀也可以與銅反應(yīng)在779°C形成富銀α相和富銅α相的共晶合金。可是，在現(xiàn)時(shí)的研究中1，對(duì)錫/銀/銅三重化合物固化溫度的測(cè)量，在779°C沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相位轉(zhuǎn)變。這表示很可能銀和銅在三重化合物中直接反應(yīng)。而在溫度動(dòng)力學(xué)上更適于銀或銅與錫反應(yīng)，以形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。因此，錫/銀/銅三重反應(yīng)可預(yù)料包括錫基質(zhì)相位、ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。
和雙相的錫/銀和錫/銅系統(tǒng)所確認(rèn)的一樣，相對(duì)較硬的Ag3Sn和Cu6Sn5 粒子在錫基質(zhì)的錫/銀/銅三重合金中，可通過(guò)建立一個(gè)長(zhǎng)期的內(nèi)部應(yīng)力，有效地強(qiáng)化合金。這些硬粒子也可有效地阻擋疲勞裂紋的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔較細(xì)小的錫基質(zhì)顆粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越細(xì)小，越可以有效的分隔錫基質(zhì)顆粒，結(jié)果是得到整體更細(xì)小的微組織。這有助于顆粒邊界的滑動(dòng)機(jī)制，因此延長(zhǎng)了提升溫度下的疲勞壽命。
雖然銀和銅在合金設(shè)計(jì)中的特定配方對(duì)得到合金的機(jī)械性能是關(guān)鍵的，但發(fā)現(xiàn)熔化溫度對(duì)0.5~3.0%的銅和3.0~4.7%的銀的含量變化并不敏感。
機(jī)械性能對(duì)銀和銅含量的相互關(guān)系分別作如下總結(jié)2：當(dāng)銀的含量為大約3.0~3.1%時(shí)，屈服剛度和抗拉剛度兩者都隨銅的含量增加到大約1.5%，而幾乎成線性的增加。超過(guò)1.5%的銅，屈服剛度會(huì)減低，但合金的抗拉剛度保持穩(wěn)定。整體的合金塑性對(duì)0.5~1.5%的銅是高的，然后隨著銅的進(jìn)一步增加而降低。對(duì)于銀的含量(0.5~1.7%范圍的銅)，屈服剛度和抗拉剛度兩者都隨銀的含量增加到4.1%，而幾乎成線性的增加，但是塑性減少。
在3.0~3.1%的銀時(shí)，疲勞壽命在1.5%的銅時(shí)達(dá)到*大。發(fā)現(xiàn)銀的含量從3.0%增加到更高的水平(達(dá)4.7%)對(duì)機(jī)械性能沒(méi)有任何的提高。當(dāng)銅和銀兩者都配制較高時(shí)，塑性受到損害，如96.3Sn/4.7Ag/1.7Cu。
*佳合金成分
合金95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu被認(rèn)為是*佳的。其良好的性能是細(xì)小的微組織形成的結(jié)果，微組織給予高的疲勞壽命和塑性。對(duì)于0.5~0.7%銅的焊錫合金，任何高于大約3%的含銀量都將增加Ag3Sn的粒子體積分?jǐn)?shù)，從而得到更高的剛度。可是，它不會(huì)再增加疲勞壽命，可能由于較大的Ag3Sn粒子形成。在較高的含銅量(1~1.7%Cu)時(shí)，較大的Ag3Sn粒子可能可能超過(guò)較高的Ag3Sn粒子體積分?jǐn)?shù)的影響，造成疲勞壽命降低。當(dāng)銅超過(guò)1.5%(3~3.1%Ag)，Cu6Sn5粒子體積分?jǐn)?shù)也會(huì)增加。可是，剛度和疲勞壽命不會(huì)隨銅而進(jìn)一步增加。在錫/銀/銅三重系統(tǒng)中，1.5%的銅(3~3.1%Ag)*有效地產(chǎn)生適當(dāng)數(shù)量的、*細(xì)小的微組織尺寸的Cu6Sn5粒子，從而達(dá)到*高的疲勞壽命、剛度和塑性。
據(jù)報(bào)道，合金93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu是217°C溫度的三重共晶合金3。可是，在冷卻曲線測(cè)量中，這種合金成分沒(méi)有觀察到**熔化溫度。而得到一個(gè)小的溫度范圍：216~217°C。
這種合金成分提高現(xiàn)時(shí)研究中的三重合金成分*高的抗拉剛度，但其塑性遠(yuǎn)低于63Sn/37Pb。合金95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu比95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的屈服剛度低。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的疲勞壽命低于95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu。如果顆粒邊界滑動(dòng)機(jī)制主要決定共晶焊錫合金，那么95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，而不是93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu，應(yīng)該更靠近真正的共晶特性。
另外，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu比93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
與63Sn/37Pb比較
3.0~4.7%Ag和0.5~1.7%Cu的合金成分通常具有比63Sn/37Pb更高的抗拉剛度。例如，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu和93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu在剛度和疲勞特性上比63Sn/37Pb好得多。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性較63Sn/37Pb低，而95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的塑性比63Sn/37Pb還高。
推薦
錫/銀/銅系統(tǒng)中*佳合金成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，它具有良好的剛度、抗疲勞和塑性。可是應(yīng)該注意的是，錫/銀/銅系統(tǒng)能夠達(dá)到的*低熔化溫度是216~217°C，這還太高，以適于現(xiàn)時(shí) SMT 結(jié)構(gòu)下的應(yīng)用(低于215°C的熔化溫度被認(rèn)為是一個(gè)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn))。
總而言之，含有0.5~1.5%Cu和3.0~3.1%Ag的錫/銀/銅系統(tǒng)的合金成分具有相當(dāng)好的物理和機(jī)械性能。相當(dāng)而言，95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu成本比那些含銀量高的合金低，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu和95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu。在某些情況中，較高的含銀量可能減低某些性能。
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