铋添加物对厂础颁305-虫叠颈中温锡膏的影响
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铋添加物对厂础颁305-虫叠颈中温锡膏的影响
中温锡膏SAC305的研发是为了实现对Sn63Bi37有铅锡膏的替代。厂础颁305锡膏的熔点虽然比Sn63Bi37稍高，但是机械强度不亚于Sn63Bi37锡膏。因此SAC305已经成为最常见的无铅锡膏种类之一。为了进一步降低SAC305的熔点，有学者对掺杂物进行了研究。发现Bi添加物可以起到降低焊料熔点的作用。在经过大量认证后发现添加2wt%以下的Bi不仅能够降低熔点，还可以对焊点的强度起到增强作用。
不同的Bi添加量会对焊点微观结构和强度产生不同影响。为了验证最佳的Bi掺杂量，CHANTARAMANEE和SUNGKHAPHAITOON (2021)将厂础颁305锡膏分为三组进行测试，包括不添加Bi，1wt% Bi添加和2wt% Bi添加。在进行铜板测试后对焊点进行观察。
表1. SAC305-xBi锡膏成分。
厂础颁305-虫叠颈微观结构
从SAC305合金的微观结构可以观察到β-Sn相和共晶区域。共晶区域的主要组成成分是金属间化合物(IMC)，包括Cu6Sn5和Ag3Sn。此外还可以发现再掺杂Bi后，合金微观结构得到了细化。原因是因为Bi可以减少焊料的过冷现象并加快晶粒成核。一个有趣的现象是2wt% Bi添加的厂础颁305锡膏的微观结构存在Bi原子分散在β-Sn相中(图2)，这是因为室温下Bi在Sn中的溶解度只有1wt%。
图1. SAC305合金微观结构。(a) SAC305; (b) SAC305-1Bi; (c) SAC305-2Bi。
图2. SAC305-2Bi合金的SEM-EDS图。
IMC层的厚度和焊点的断裂机制有着密切关系。IMC形成会增加焊点脆性。传统厂础颁305锡膏在回流焊接和老化过长会生成大量Cu6Sn5和Cu3Sn。CHANTARAMANEE和SUNGKHAPHAITOON将厂础颁305锡膏进行回流(250℃, 2min)后测量发现2wt% Bi掺杂可以明显减少IMC厚度。Bi的添加会减少Cu的溶解度，减缓Cu和Sn的界面反应，因而IMC生长速度变慢。
表2. SAC305焊点IMC厚度。
厂础颁305熔点变化
叠颈的熔点较低，在加入叠颈后，锡膏的熔点会得到一定程度的降低。焊料中的厂苍会和叠颈反应形成新键。晶体结构中的原子更容易位移，降低了焊料熔点。
表3. SAC305合金的熔点变化。Tm: 峰值温度; Tonset: 固相温度; Tend: 液相温度。
焊点强度变化
图3可以看到如果不添加Bi, SAC305的极限抗拉强度(UTS)只36MPa左右。不同的是添加了Bi后极限抗拉强度得到了明显的增加，这得益于Bi对微观结构的细化。可以看到2wt% Bi添加可以最大程度增加抗拉强度，此时焊点断裂模式为韧性断裂。然而，锡膏掺杂了Bi后延展性(EL)下降。如果Bi添加太多(＞5wt%)，沉淀出来的Bi会增加焊点脆性，使得延展性明显降低，锡膏在断裂模式从韧性断裂转为脆性断裂。
图3. SAC305焊点的极限抗拉强度和延展性。
参考文献
CHANTARAMANEE, S. & SUNGKHAPHAITOON, P. (2021). “Influence of bismuth on microstructure, thermal properties, mechanical performance, and interfacial behavior of SAC305?xBi/Cu solder joints”.
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