Ag和In对Sn-Bi低温锡膏力学性能的改善作用-深圳福英达
Ag和In对Sn-Bi低温锡膏力学性能的改善作用-深圳福英达
Sn-Bi共晶锡膏对焊接温度要求较低，能够在低温条件实现焊接。该种锡膏以其低温焊接和高抗拉强度等优点在焊料市场上占据重要地位。然而，由于Bi是一种脆性金属，且容易在加热过程中在焊料中偏析。局部的Bi相偏析和粗化引起的焊点脆性影响着Sn-Bi共晶锡膏的更多应用。在Sn-Bi共晶焊料中添加一些微粒对焊料的强度能起到增强作用。
实验设计
市面上应用最广的低温锡膏是以SnBiAg和SnBiAgIn等合金为基础制成。这种锡膏在Sn42Bi58共晶锡膏基础上加入了少量Ag和In，能对机械强度有所提高。Hu等人制备了一系列低温焊料合金并验证机械强度。
表1. 实验焊料合金。
实验结果
微观结构
Sn-Bi焊料合金的主要微观结构为富Bi和富Sn相并具有层状排列结构。普通Sn42Bi58焊料加热焊接后可以观察到焊点本体有明显的粗的富Bi相。在添加少量Ag后，粗的Bi相大大减少，也就是说，富Bi相的粗化被有效抑制。
图2. 不同焊料微观结构。 (a)42Sn58Bi; (b)42Sn57.6Bi0.4Ag; (c)42Sn57.1Bi0.4Ag0.5In; (d)42Sn56.6Bi0.4Ag1.0In; (e)42Sn56.1Bi0.4Ag1.5In; (f)42Sn55.6Bi0.4Ag2.0In。
在进行拉伸试验后，可以通过SEM观察焊点的断裂形态。从图3a可以看到焊点解理面（晶体在外力作用下沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑的平面）主要由富Bi相的硬脆性断裂引起。同时，在部分β-Sn相上观察到韧性断裂形态。随着Ag的加入，粗富Bi相产生的解理面略有减少(图3b)，如图3(c-f)所示。添加In后，Sn–Bi焊料合金的断裂没有明显变化，很少观察到凹坑。由于In原子序数与Sn相似，因此在凝固过程中很容易溶解在Sn基体中。因此，In可以软化Sn基体，从而提高延展性和减少Bi的影响。
图3. 不同焊料断裂面。 (a)42Sn58Bi; (b)42Sn57.6Bi0.4Ag; (c)42Sn57.1Bi0.4Ag0.5In; (d)42Sn56.6Bi0.4Ag1.0In; (e)42Sn56.1Bi0.4Ag1.5In; (f)42Sn55.6Bi0.4Ag2.0In。
机械性能
普通的SnBi共晶焊料合金的拉伸强度和伸长率大概为66.2MPa和23.0%。添加0.4 wt.%的Ag后，焊料合金的抗拉强度有所提升，且延展率提升明显，表明Ag有利于提高焊料合金的机械性能。这是因为Ag会与Sn形成Ag3Sn IMC，分布在焊料中能够细化焊料合金的微观结构并增强焊点强度。此外，在SnBiAg0.4基础上再添加In后，焊料合金的抗拉强度和延展率也会提高。随着In添加量增加到1.5%，焊料合金性能进一步改善。不过需要注意的是In的质地较软，添加量过多容易对焊点强度起到负面影响。
图4. 不同焊料力学性能。 (a)42Sn58Bi; (b)42Sn57.6Bi0.4Ag; (c)42Sn57.1Bi0.4Ag0.5In; (d)42Sn56.6Bi0.4Ag1.0In; (e)42Sn56.1Bi0.4Ag1.5In; (f)42Sn55.6Bi0.4Ag2.0In。
低温锡膏
深圳福英达能够为客户提供SnBi57.6Ag0.4低温焊料合金和锡膏产品。福英达低温焊料合金球形度高，表面光滑，氧含量低，并且能做成超微锡膏(T6及以上)用于印刷和点胶工艺。福英达的低温锡膏粘度，触变性等性能稳定，可以满足客户对细间距焊接的要求。
参考文献
Hu, T.H., Li,S., Li, Z., Wu, G.Z., Zhu, P., Dong, W.F, Sun, Y., Zhou, J.Y., Wu, B.J., Zhao, B.G., Ding, K. & Gao, Y.L. Coupled effect of Ag and In addition on the microstructure and mechanical properties of Sn–Bi lead-free solder alloy. Journal of Materials Research and Technology, vol. 26.
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