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Bi 低溫焊膏中的偏析控制

低溫焊膏中的Bi偏析是由於Sn-Bi共晶體系中Bi和Sn之間固有的不混溶性引起的,特別是當回流期間局部冷卻速率偏離理想條件時,導致富Bi相集中在晶界或元件端子附近,這直接損害了機械強度和熱循環耐久性。由於 Bi 的熔點明顯高於 Sn,且在熔融狀態下的擴散率較低,因此,除非焊膏配方和製程參數緊密同步,否則模板應用沉積物上的不均勻熱量分佈會放大微觀結構的不均勻性。因此,助焊劑載體的黏度分佈必須在儲存和印刷過程中支援均勻的顆粒懸浮,同時在預熱過程中實現快速、對稱的塌陷,以最大限度地減少成核開始之前的溶質遷移。

低溫焊膏通常在 180°C 以下運行,許多配方的目標回流溫度在 165°C 至 175°C 之間,以保護熱敏元件(例如 MLCC 和集成天線),但這種狹窄的熱窗口在控制 Bi 相分離方面幾乎沒有留下任何誤差餘地,因為帶速或區域溫度有 3°C.沿著先前的液體通道分離。當使用氮氣氣氛回流時,氧氣減少改善了潤濕性,但也延長了邊緣區域高於液相線的時間,從而增加了密度驅動的 Bi 上浮的機會,除非合金顆粒尺寸分佈縮小到 D90 <12>

助焊劑化學成分在 Bi 偏析控制中起著決定性作用,因為有機酸和無鹵化物活化劑會影響熔化過程中的氧化物去除效率和表面張力梯度,並且如果在環境濕度高於 60%RH 的情況下粘性壽命超過 45 分鐘,太多的松香殘留極性將錨定在 PPROT1] 簇上。印刷速度必須保持在 25mm/s 和 40mm/s 之間,以平衡轉移效率與剪切引起的顆粒位移,同時刮刀壓力應保持在 4.5±0.3kgf,以避免塗抹,迫使 Bi 富集部分流向沉積邊緣。回流曲線要求升溫至峰值速率不超過 0.8°C/s,直至 150°C,然後在 155°C 和 162°C 之間受控浸泡 60-90 秒,以在進入液相線區之前使整個溫度均勻化,其中 165°C 以上的停留時間不得超過 45 秒,以防止 Bi 沉澱物。使用橫斷面 SEM-EDS 進行的回流後檢查一致表明,Bi 偏析嚴重性與峰值溫度過衝的相關性比與高於液相線的總時間的相關性更強,這證實了瞬態熱尖峰(而不是持續時間)是相不穩定的主要驅動因素。

儲存條件直接影響離析傾向,因為在 25°C 下老化超過 72 小時會導致可測量的 Bi 顆粒團聚,這是由於弱范德華吸引力克服了聚合物分散劑的空間穩定性,特別是當漿料批次批號表明後混合間隔超過 14 天時。只有在凝膠化開始之前(無論初始黏度等級如何,在 35°C 下 120 小時後發生),透過離心剪切以 1200rpm 進行 90 秒的重新混合才能恢復分散均勻性。焊膏的進貨檢驗必須包括 25°C 下 0.1s⁻1 至 100s⁻1 的動態黏度掃描測試,以驗證 300 秒後觸變恢復率仍保持在 88% 以上,因為恢復率下降表明顆粒封裝減弱,並且先於印刷沉積物中可觀察到的 Bi 條帶。任何超過 88.5±0.3wt% 的金屬負載偏差都會觸發立即隔離,因為過量的 Sn 會稀釋 Bi 的晶格抑制效應並加速凝固過程中的晶間擴散。

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