无铅焊料:加碳焊料的介绍

  • 主页
  • » 加碳焊料的优势

1. 关于加碳焊料

所谓的加碳焊料是指在一定条件下向无铅焊料添加碳的新型的无铅焊料。 以前向焊料里混进碳被认为是不可能的。但现在往焊料里均匀混碳得到成功。这个附加了碳的无铅焊料就称为加碳焊料。
通过添加碳,可以使焊料里的金属结晶状态变小,焊料焊接的接合面积增大。这样一来,就成功地改善了焊料的强度、延展、熔点及传导率。
充分发挥加碳焊料的特长,就可以做到廉价供应低熔点、高强度而且无害的焊料,来替代目前使用的有铅焊料和无铅焊料。

SEM images of as-soldered joint of (a) Sn-3.5Ag and (b) Sn-3.5Ag + 0.03wt.%C.

一般焊接时,会在焊料/基板的界面形成金属相。
由于金属间化合物较脆,如果在焊接部形成较厚的话, 机械的性质就会降低,进而造成导电性及耐腐蚀性等变差。因此,有必要抑制 金属间化合物的成長。
结果显示了金属层的形成。
没有碳添加的界面粗糙不均匀,每个凸凹都较大。
另一方面,添加了碳黑的焊料Sn-3.5wt.%Ag+0.03wt.%C界面细致,形状均匀。

2. 加碳焊料的强度的测定结果

观测到加碳后的维氏硬度的增加。
同Sn-3.5Ag相比较,0.03wt%碳添加焊料的硬度从10.7Hv增加到13.4Hv。
拉伸强度显示增加了50%。

Alloy 维氏硬度 (Hv)
(±1.0)
拉伸强度 (MPa)
(±1.0)
Sn-3.5Ag 10.7 18.0
Sn-3.5Ag + 0.03 wt.%C 13.4 27.0

加碳焊料的机械强度改善的原因分析

  • Ag3Sn的硬度比β-Sn高15倍,比焊料的共晶组织高12倍, 是焊料的增强相。
  • 碳添加无铅焊料的机械性质的改善可以用材料的分散强化理论来说明。
  • 通过碳添加,Ag3Sn相变得更加细微,分散更加均匀,防止了焊料的移位运动,得到进一步的强化。

关于加碳焊料的强度及延展

一般认为,在机械强度方面,硬度和拉伸强度是成反比的。但是,在做加碳实验时发现硬度和延展均有显著的改善,比目前使用的无铅焊料以及含铅共晶焊料均有更优异的性质。并且还发现强度和延展率与含碳量成正比提高。

3. 关于加碳焊料的润湿性的改善

实验结果显示,通过往Sn-3.5Ag 添加碳,焊料与母材的接触角变小,焊料的润湿性得到改善。

Appearance of typical spread test specimen after spread test at 533K for 30 s and contact angle of solders before and after adding carbon

4. 关于加碳焊料的熔点

熔解开始和熔解温度双方由于碳的添加发生了些许的变化。
结果显示熔解开始温度从221.2℃减少到219.0℃,熔点从222.0℃移行到221.0℃。
通过往Sn-3.5Ag 添加碳,熔点基本没有变化,实验结果表明有若干下降。目前正在开发熔点更低的加碳焊料。

DSC curves for (a) Sn-3.5Ag solder and (b) Sn-3.5Ag + 0.03wt.%C.