无铅焊锡-银-铜

無鉛焊錫︰錫/銀/銅系統

2003-12-21 Jennie S. Hwang 點擊: 1941

無鉛焊錫︰錫/銀/銅系統

錫/銀/銅系統中最佳的化學成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，它具有良好的強度、抗疲勞特性和塑性。

根本的特性和現象

在錫/銀/銅系統中，錫與次要元素(銀和銅)之間的冶金回應是決定應用溫度、固化機製以及機械性能的主要原素。按照二元相位圖，在這三個元素之間有三種可能的二元共晶回應。銀與錫之間的一種回應在221°C形成錫基質相位的共晶架構和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。銅與錫回應在227°C形成錫基質相位的共晶架構和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。銀也可以與銅回應在779°C形成富銀α相和富銅α相的共晶合金。可是，在現時的研究中1，對錫/銀/銅三重化合物固化溫度的測量，在779°C沒有發現相位轉變。這表示很可能銀和銅在三重化合物中直接回應。而在溫度動力學上更適于銀或銅與錫回應，以形成Ag3Sn或Cu6Sn5金屬間的化合物。因此，錫/銀/銅三重回應可預料包括錫基質相位、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/銅系統所確認的一樣，相對較硬的Ag3Sn和Cu6Sn5 粒子在錫基質的錫/銀/銅三重合金中，可透過建立一個長期的內部應力，有效地強化合金。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小的錫基質顆粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越細小，越可以有效的分隔錫基質顆粒，結果是得到整體更細小的微組織。這有助于顆粒邊界的滑動機製，因此延長了提升溫度下的疲勞壽命。

雖然銀和銅在合金設計中的特定配方對得到合金的機械性能是關鍵的，但發現熔化溫度對

0.5~3.0%的銅和3.0~4.7%的銀的含量變化並不敏感。

機械性能對銀和銅含量的相互關係分冸作如下總結2︰當銀的含量為大約3.0~3.1%時，屈服強度和抗拉強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1.5%的銅，屈服強度會減低，但合金的抗拉強度保持穩定。整體的合金塑性對0.5~1.5%的銅是高的，然后隨著銅的進一步增加而降低。對于銀的含量(0.5~1.7%範圍的銅)，屈服強度和抗拉強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，疲勞壽命在1.5%的銅時達到最大。發現銀的含量從3.0%增加到更高的水準(達4.7%)對機械性能沒有任何的提升。當銅和銀兩者都配製較高時，塑性受到損害，如96.3Sn/4.7Ag/1.7Cu。

最佳合金成分

合金95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu被認為是最佳的。其良好的性能是細小的微組織形成的結果，微組織給予高的疲勞壽命和塑性。對于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的粒子體積分數，從而得到更高的強度。可是，它不會再增加疲勞壽命，可能由於較大的Ag3Sn粒子形成。在較高的含銅量(1~1.7%Cu)時，較大的Ag3Sn粒子可能可能超過較高的Ag3Sn粒子體積分數的影響，造成疲勞壽命降低。當銅超過1.5%(3~3.1%Ag)，Cu6Sn5粒子體積分數也會增加。可是，強度和疲勞壽命不會隨銅而進一步增加。在錫/銀/銅三重系統中，1.5%的銅(3~3.1%Ag)最有效地產生適當數量的、最細小的微組織尺寸的Cu6Sn5粒子，從而達到最高的疲勞壽命、強度和塑性。

據報道，合金93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu是217°C溫度的三重共晶合金3。可是，在冷卻曲線測量中，這種合金成分沒有觀察到精確熔化溫度。而得到一個小的溫度範圍︰216~217°C。

這種合金成分提升現時研究中的三重合金成分最高的抗拉強度，但其塑性遠低于63Sn/37Pb。合金95.4Sn/4.1Ag/0.5Cu比95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu的屈服強度低。93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的疲勞壽命低于

95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu。如果顆粒邊界滑動機製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具有經濟優勢。

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更高的抗拉強度。例如，

95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu和93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu在強度和疲勞特性上比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。

與96.5Sn/35Ag比較

95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu具有216~217°C的熔化溫度(幾乎共晶)，比共晶的96.5Sn/3.5Ag低大約4°C。當與96.5Sn/3.5Ag比較基本的機械性能時，研究中的特定合金成分在強度和疲勞壽命上表現更好。可是，含有較高銀和銅的合金成分，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu的塑性比93.6Sn/4.7Ag低。

與99.3Sn/0.7Cu比較

3.0~

4.7%Ag和0.5~1.5%Cu的錫/銀/銅成分合金具有較好的強度和疲勞特性，但塑性比99.3Sn/0.7Cu 低。

推薦

錫/銀/銅系統中最佳合金成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，它具有良好的強度、抗疲勞和塑性。可是應該注意的是，錫/銀/銅系統能夠達到的最低熔化溫度是216~217°C，這還太高，以適于現時SMT架構下的電路板應用(低于215°C的熔化溫度被認為是一個實際的標準)。

總而言之，含有0.5~1.5%Cu和3.0~3.1%Ag的錫/銀/銅系統的合金成分具有相當好的物理和機械性能。相當而言，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。