摘要：电子封装产业的无铅化是国民经济发展的重要方向，本文根据近年来无铅焊料的新发展趋势，着重叙述了Sn-Bi系无铅焊料的研究进展，阐述了Sn-Bi系无铅焊料的优缺点，以及合金化对其性能的改良情况。最后展望了无铅焊料的发展趋势和新的发展思路。
关键词：Sn-Bi焊料；无铅；可靠性；脆性
1 前言
传统电子行业中，Sn-Pb焊料以其优异的物理冶金性能，广泛应用于电子封装领域。然而Sn-Pb焊料中主要金属元素铅是有毒重金属，美国和欧盟均相继通过立法对含铅电子产品逐步禁止使用Sn-Pb焊料。针对这一趋势，各主要工业国相继开展了无铅钎料的研制，目前商业化最成功的无铅焊料为SAC305（典型成分：96.5%Sn/3.0%Ag/0.5%Cu）和其同系列焊料。三元Sn-Ag-Cu焊料降低了Sn-Ag焊料的高成本，也增加了焊料在铜基板上的润湿性，是电子封装行业里最受欢迎的无铅钎料。
当前，无铅焊料的研发主要目标是在性能、成本上完全替代Sn-Pb焊料，除前文叙述的Sn-Ag-Cu合金外，Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag二元合金及其衍生多元合金的性能均不如Sn-Pb合金，尤其是在焊料温度方面[1]，Sn-Pb合金的共晶温度点约为183oC，而Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系合金的共晶温度分别约为221oC、227oC和198oC，均高于Sn-Pb合金，这给电子封装可靠性带来了十分不利的影响。Sn-Bi合金以其低熔点（139oC）广泛应用于温度敏感器件、防雷等设备的封装，尤其在多层基板封装工艺上更加适合回流工艺。此外，Sn-Bi系合金的抗热疲劳性能及抗蠕变性好、润湿性好，且Bi能够降低或阻碍Sn合金中的锡须生长，极大地增加了电子封装的应用可靠性[2]。但同时，Sn-Bi系合金的缺点也很明显：脆性高、延展性差、机械加工性能差。合金化成为了克服Sn-Bi系合金缺点的主要手段。
2 Ag、Cu添加对Sn-Bi合金的影响。
Ag和Cu元素是无铅焊料的常见合金元素。湖南大学杨石强等[3]通过Ag添加至Sn-20Bi合金展开相关研究，结果发现，当Ag元素的添加量达到0.7wt.%，Sn-Bi合金中Bi偏析达到最少，Bi呈弥散分布结构状态，降低了合金的脆性，优化了Sn-Bi合金的性能。Cu元素相对Ag元素较便宜，Sn-Bi-Cu系三元合金的研究更加活跃。胡丽等[4]对Sn-4.8Bi与Sn-4.8Bi-0.7Cu合金进行研究，发现适量的Cu使得Bi在合金中发生弥散强化现象，有助于提高Sn-Bi合金的抗蠕变性能。陈志浩等[5]亦在Sn-Bi-Cu合金中发现合金力学性能提升现象，且李吉东等[6]研究表明，适量的Cu添加能够有效改善Sn-20Bi合金的抗腐蚀性能，这对电子封装产品的环境可靠性有极大的意义，可大幅提升电子产品在苛刻的环境（如高温高湿环境）中的可靠性寿命。
3 Zn、Al添加对Sn-Bi合金的影响
Zn、Al均是工业上流动性好、塑性优良的铸造合金元素，其对电子焊料性能的研究也在很早就开展了。Sn-Zn作为无铅焊料的一个发展方向也正受到多方的研究关注，同时Zn作为合金元素添加至Sn-Bi合金也有较大的研究进展。Wang等[7]研究表明Zn的添加能够改善Sn-40Bi合金的显微结构和抗拉强度，Al的添加能够有效提高Sn-Bi系合金的提高抗氧化能力，降低该型焊料表面氧化膜的厚度。同时，Al[6]的添加能显著提高焊料的导电性，但是会加速焊料在使用环境中的腐蚀。
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4 磁性元素Co、Ni添加对Sn-Bi合金的影响
董昌慧等[8]研究了微量的Co元素对Sn-Bi系合金的影响，结果表明添加Co后，焊料合金的熔点变化不大，其合金润湿性显著提升，且Co在焊料合金中的弥散强化作用，Sn-Bi合金的塑性和强韧性均有提升，提高了焊料的工艺可靠性。南昌航空大学杨起等在Sn-Bi合金中添加Ni颗粒，通过合金化工艺，Bi相的偏析得到很大的改善，当添加量约为0.5wt%时，可获得最佳的力学和钎料性能。
5 非金属元素添加对Sn-Bi合金的影响
王小京等在Sn-Bi合金添加P元素，研究发现，P的添加恶化了Sn-Bi合金的脆性，不利于合金在PCB等封装领域的应用。王广顺等在Sn-Bi合金中添加了纳米石墨，研究发现，一定含量的纳米石墨添加能将有效降低抗拉强度，当添加量增至0.07wt%时，抗拉强度变化不明显，但其塑性获得大幅提升。
6 展望
尽管无铅焊料商业化道路早已展开，电子封装产业无铅化在多个应用场合推行，但以Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Bi为代表的无铅焊料系列合金仍然在性能上不能与传统的Sn-Pb合金相媲美。笔者认为不必寻求一种合金能够在各个维度（如适用温度、器件种类）上与Sn-Pb合金相一致，只要在各个维度上有能与传统钎料相媲美或者性能更优越的钎料组合即可。Sn-Bi合金在电子封装的低温运用领域将会大放异彩，我国应继续加强无铅焊料的研发，服务于“一带一路”的建设，展现负责任的大国形象。
参考文献
[1]Mulugeta Abtew，Guna Selvaduray.Lead-free Solders in Microelectronics[J].Materials Science & Engineering R: Reports,2000,27(5-6):95-141
[2]Jo Jung-Lae，Nagao Shijo，Hamasaki Kyoko，Tsujimoto Masanobu，Sugahara Tohru，Suganuma Katsuaki.Mitigation of Sn Whisker Growth by Small Bi Additions [J].Journal of Electronic Materials,2014,43(1):1-8
[3]杨石强,雷晓娟,李元山,陈振华.Sn-20Bi-X无铅焊料的显微组织和物理性能[J].湖南大学学报 (自然科学版),2007,34(3):49-52
[4]胡丽,曾明,张业明,刘新刚,沈保罗.Cu对Sn-Bi焊料压入蠕变性能及显微组织的影响[J].特种铸造及有色合金,2010,30(5):485-487
[5]陈志浩,郑伟,朱协彬,祖方遒.Sn-Bi-Cu合金熔体结构变化及对凝固组织影响[J].焊接学报,2010,31(10):61-64
[6]李吉东,杨文超,李逸泰,湛永钟,冯均利,吴景武.Al 和Cu 对Sn－20Bi 合金组织、导电率与抗腐蚀性的影响[J].广西大学学报(自然科学版),2018,43(5):1967-1975
[7]Xiaojing Wang ,Yanlai Wang ,Fengjiang Wang,Ning Liu,ianxin Wang.Effects of Zn，Zn-Al and Zn-P Additions on the Tensile Properties of Sn-Bi Solder[J].Acta Metall.Sin.(Engl.Lett.),2014,27(6):1159–1164
[8]董昌慧,王凤江,丁海健,杜成超.微量Co的添加对Sn-Bi 共晶钎料性能的影响[J].热加工工艺,2015,44(1):190-192.
论文作者:闵继雄
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年10月上
论文发表时间:2019/6/24
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