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2023 SMM 国际光伏产业峰会

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2023 SMM 国际光伏产业峰会

专家分享:焊接材料在光伏组件领域中的应用研究【SMM光伏大会】

来源:SMM

在SMM主办的2023SMM国际光伏产业峰会-先进组件封装材料与组件技术论坛上,中山翰华锡业有限公司研发技术总监李爱良介绍了焊接材料在光伏组件领域中的应用研究情况,他分别讲述了焊锡基础原理,并介绍了助焊剂和助焊剂的相关概念及发展情况,最后讲述了锡基焊料特性及在光伏组件领域的应用情况。

焊锡基础原理

焊料合金存在的状态

焊料合金产品常见的应用形态有:焊锡丝,焊锡条,焊锡膏,随着电子工业的发展,特定形式的焊料,如焊片,精密焊球等各种形式的应用也日渐广泛。

焊锡基础原理

各种电子电器产品在现代人类社会有着广泛应用,市场规模极大,不断的更新换代;

以焊接材料为代表的连接材料是各种电子电器产品装联生产过程中不可或缺的关键材料。

由电子焊接材料所构成的焊点不仅是机械连接的作用,同时也是电连接和热传导的重要通路。在电子产品的整个服役周期内对其可靠性都有着极为重要的影响。

焊锡可应用于信息科技、医疗器械、新能源风光储能、航空航天以及新能源汽车等领域。

软钎焊

焊接学中,把焊接温度低于450℃的焊接称为软钎焊,所用焊料为软钎焊料;

当焊料被加热到熔点以上,焊接金属表面在助焊剂的活化作用下,对金属表面的氧化层和污染物起到清洗作用,同时使金属表面获得足够的激活能。熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润、发生扩散、溶解、冶金结合,在焊料和被焊接金属表面之间生成金属间结合层(焊缝),冷却后使焊料凝固,形成焊点。焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关;

焊接是一种物理的,也是化学反应,即使焊锡重新熔化也不可能完全从金属表面上把它擦掉,因为它已变成金属的一部分,生成了铜锡化合物。

焊锡过程

焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程

表面清洁-焊件加热-熔锡润湿-扩散结合层-冷却后形成焊点

物理学:润湿、粘度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解

化学:助焊剂分解、氧化、还原、电极电位

冶金学:合金、合金层、金相、老化现象

电学:电阻、热电动势

材料力学:强度(拉力、剥离疲劳)、应力集中。

焊接过程中焊接金属表面(母材以Cu为例)、助焊剂、熔融焊料之间相互作用

助焊剂与母材的反应

松香去除氧化膜:松香的主要成分是松香酸,融点为60-80℃。170℃左右呈活性反应, 300℃以上无活性。松香酸和Cu2O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下和300℃以上不能和Cu2O起反应。

溶融盐去除氧化膜:一般采用氯离子Cl-或氟离子F- ,使氧化膜生成氯化物或氟化物。

母材被溶蚀:活性强的助焊剂容易溶蚀母材。

助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。

助焊剂与焊料的反应

助焊剂中活性剂在加热时能释放出的活性酸,与SnO起还原反应。

活性剂的活化反应产生激活能,减小界面张力,提高浸润性。

焊料氧化,产生锡渣。

焊料与母材的反应

润湿、扩散、溶解、冶金结合,形成结合层。

影响焊接质量的主要因素

焊料的质量:合金成份及其氧化程度

无论有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金

助焊剂质量(净化表面,提高浸润性)

被焊接金属表面的氧化程度(元件焊端、焊盘)

工艺:印、贴、焊(正确的温度曲线)

设备

管理

助焊剂介绍

助焊剂的作用

在焊接领域,几乎所有活性较强的金属暴露于空气中都会容易被氧化,形成的氧化物会阻碍润湿,阻碍焊接;

有一些材料可以去除氧化物,并且盖住金属表面使氧化物不再形成,这就是助焊剂(FLUX),是拉丁文“流动”的意思;

助焊剂是焊接工程必要的材料,是一种具有化学及物理活性的物质。

辅助热传导,除去被焊金属表面的氧化物或其他形成的表面膜层以及焊锡本身外表上所形成的氧化物或其他油、脂之类的污染物;

为达到被焊表面能够沾锡及焊牢的目的,还可以保护金属表面,使在焊接的高温环境中不再被氧化;

第三个功能就是减少熔锡的表面张力(surface tension),以及促进焊锡的扩展和流动等,提高焊接质量。

助焊剂的组成

各种品牌的助焊剂,其技术配方各有不同,主要化学性成分基本包括:

活性剂:无机酸及其卤化物、有机酸及其卤化物、胺盐类等,主要用于清除焊盘和熔融焊料表面的氧化物,是助焊剂的关键成分之一。

表面活化剂:介面活性剂等非离子类化合物,主要降低表面张力、提高发泡性能等。

有机载体:树脂、高沸点溶剂等,防止再氧化功能。

溶剂:醇类、酯类有机溶剂,主要溶解各组分、清洗污染物和调节比重等。

助焊剂的特性

润湿(横向流动):又称浸润,是指熔融焊料在金属表面形成均匀、平滑、连续并附着牢固的焊料层。

浸润程度主要决定于焊件表面的清洁程度及焊料的表面张力

金属表面看起来是比较光滑的,但在显微镜下面看,有无数的凸凹不平、晶界和伤痕,焊料就是沿着这些表面上的凸凹和伤痕,靠毛细作用润湿扩散开去的,因此焊接时应使焊锡流淌;

流淌的过程一般是松香在前面清除氧化膜,焊锡紧跟其后,所以说润湿基本上是熔化的焊料沿着物体表面横向流动。

润湿的好坏取决于润湿角。

扩散(纵向流动):伴随着熔融焊料在被焊面上扩散的润湿现象,还出现焊料向固体金属内部扩散

用锡铅焊料焊接铜件,焊接过程中既有表面扩散,又有晶界扩散和晶内扩散;

锡铅焊料中的铅只参与表面扩散,而锡和铜原子相互扩散,这是不同金属性质决定的选择扩散;

正是由于这种扩散作用,在两者界面形成新的合金,从而使焊料和焊件牢固地结合。

焊锡膏介绍

焊锡膏

作为常见焊料形态的焊锡膏是一种将焊料合金粉和稳定的助焊剂按一定的比例均匀混合而成的非牛顿流体。在焊接时可以使表面组装元器件的引线或端点与印制板上焊盘形成合金性连接。

在常温下,焊锡膏可将电子元器件初粘在既定位置,当被加热到一定温度时,随着溶剂和部分添加剂的挥发,合金粉的熔化,使被焊元器件和焊盘连在一起,冷却形成永久连接的焊点。对焊锡膏的要求是具有多种涂布方式,特别具有良好的印刷性和再流焊性,并在贮存时具有稳定性。

焊料合金粉

焊料合金粉是在惰性气体中将熔融的焊料通过气体雾化和离心筛选制成的微细粒状金属。

焊料合金粉的颗粒有三种形状:即球形、近球形和不定形。

焊料合金粉的形状影响粉末的氧化物含量,也决定着锡膏的可印刷性。

焊料合金粉决定着焊锡膏的电气性能和机械性能。

助焊膏

作用:保证焊接工艺的正常完成,以得到符合要求的焊点;

一种具有化学及物理活化性的物质,能够去除被焊金属表面的氧化物或其它己形成的表面膜层以及焊锡本身外表上所形成的氧化物,以达到被焊表面能够被润湿的目的;

保护金属表面使其在焊接的高温环境中不再被氧化;

减少熔锡的表面张力,以及促进焊锡扩散及漫流等。

高可靠性固晶锡膏

合金:Sn63/Pb37 、Sn43Pb43Bi14、Sn64Bi35Ag1、Sn64.7Bi35Ag0.3、Sn96.5Ag3.0Cu0.5

锡粉粉径:4#、5#、6#、7#(2-25um)

包装规格:10g/支,20g/支,30g/支,100g/支

产品优势与特点

合金成份可定制;

触变性好,具有固晶及点胶所需合适的粘度,分散性好;

低热阻、散热良好、低应力结构、导电性能良好;

使用后残留少,无卤素,无硫化物配方,不含活性离子,对产品封装无影响;

采用超微粉径,能有效满足5-75 mil(0.127-1.91mm)范围大功率晶片的焊接,尺寸越大的晶片固晶操作越容易实现;

回流共晶固化或箱式恒温固化,走回流焊接曲线,更利于芯片焊接的平整性;

可靠性高,固晶高效。

锡基焊料特性及在光伏组件领域的应用

铅在焊料中的作用

降低熔点。

改善机械性能,提高锡铅合金的抗拉强度和剪切强度。

降低表面张力,有利于焊料在被焊金属表面上的润湿性。

增加焊料的抗氧化性能,减少氧化量。

冷凝收缩现象

63Sn37Pb合金的热膨胀系数CTE是24.5×10-6,从室温升到183℃,体积会增大1.2%,而从183℃降到室温,体积的收缩却为4%,故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。


2023 第三届 SMM电气产业论坛

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