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焊錫絲的低溫合金弱點

焊錫絲的低溫合金弱點

以低溫合金配方為基礎的焊錫絲,通常含有熔點低於 150°C 的鉍、銦或錫鉍共晶,為熱脆性組件提供了有針對性的工藝靈活性,但當受到機械應力、長時間熱暴露或重複熱循環時,其結構完整性會顯著阻力,因為較低的熔點與較窄的過程中較窄的減少

低溫焊絲的合金成分本質上會犧牲延展性以實現快速凝固,因為添加超過 47% 重量的鉍會沿著晶界引入脆性富鉍相,而過量的銦含量會軟化基體並加速銅界面處的相互擴散,導致過早形成空洞並削弱焊點可穿戴可靠性,特別是在汽車和可彎曲組件中遇到的振動負載條件下遇到的可穿戴可靠性。

由於低於 200°C 回流峰值時助焊劑活化動力學緩慢,且熔融 Bi-Sn 合金的表面張力降低會阻礙自發毛細管流入細間距間隙,從而導致 QFN 和 BGA 返工操作期間焊縫形成不一致、焊盤覆蓋不完整以及枕形缺陷發生率較高,低溫合金焊絲在 OSP ENIG 表面焊盤和 濕ENIG 表面上降低成品行為顯著。

在低溫合金系統中,焊料-銅界面的金屬間化合物生長在熱力學上仍然不穩定,因為 Cu6Sn5 的形成在 210°C 以下被抑制,而 Cu3Sn 成核被延遲到 180°C 以上,這會導致接頭間 IMC 厚度分佈不均勻,隨著時間的推移界面電阻會增加次的功率循環測試期間產生柯肯德爾空洞的閾值小時。

低溫合金焊絲的熱疲勞性能在-40°C至+125°C之間循環500次後急劇下降,這不僅是因為SnBi和FR-4基材之間的熱膨脹係數不匹配放大,而且還因為初生Sn枝晶和Bi相團聚的逐漸粗化,在循環應變下破壞了連續性,從而加速了裂紋沿傳統方法中觀察不到的弱晶間路徑的擴展SAC305接頭。

儲存穩定性帶來了另一個操作限制,因為低溫合金焊絲由於鉍表面活性較高和氧化膜粘附能較低,在環境空氣中氧化得更快,因此需要在線軸退繞期間進行氮氣吹掃,在送料前立即塗抹助焊劑,並將捲軸存儲櫃中的濕度嚴格控制在 30% RH 以下,以防止印刷過程中助​​焊劑降解和焊球形成。

由於 Bi-Sn 相邊界處的電子散射以及隔離微觀結構中平均自由程的減少,低溫合金焊錫絲的電導率比標準 Sn63Pb37 電導率下降 15-22%,使其不適合在沒有橫截面積補償的情況下承載 3A 的高電流上升的功率模組中的使用。

當將低溫合金焊絲替換為最初校準為 220–250°C 峰值曲線的傳統 SMT 生產線時,製程視窗變窄變得不可避免,因為必須減慢預熱升溫速率以避免溶劑過早爆裂造成助焊劑飛濺,延長浸泡時間以確保中心溫度均勻(儘管熱質量滲透較低),並且氮氣流量至少增加 30% 以增加 30% Bi。

根據IPC-J-STD-002測量的接頭剪切強度在24小時環境老化後從SAC305中的32 MPa下降到Sn42Bi58焊絲中的18-21 MPa,並在100°C蒸汽老化8小時後進一步下降至12-14 MPa,證實吸濕了松香基活化劑中吸阻擋層。

更換決策必須權衡熱安全裕度和長期機械耐用性之間的權衡,因為僅選擇低溫合金焊絲來保護 MLCC 或 OLED 驅動器會忽略其在三次回流後的不可逆脆化、其與缺乏精確 138-145°C 浴溫控制的波峰焊接設備的不相容性,以及其在手持設備跌落的整體落差

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