Ag和In對Sn-Bi低溫錫膏力學性能的改善作用-深圳福英達
Ag和In對Sn-Bi低溫錫膏力學性能的改善作用-深圳福英達
Sn-Bi共晶錫膏對焊接溫度要求較低，能夠在低溫條件實現焊接。該種錫膏以其低溫焊接和高抗拉強度等優點在焊料市場上占據重要地位。然而，由于Bi是一種脆性金屬，且容易在加熱過程中在焊料中偏析。局部的Bi相偏析和粗化引起的焊點脆性影響著Sn-Bi共晶錫膏的更多應用。在Sn-Bi共晶焊料中添加一些微粒對焊料的強度能起到增強作用。
實驗設計
市面上應用最廣的低溫錫膏是以SnBiAg和SnBiAgIn等合金為基礎制成。這種錫膏在Sn42Bi58共晶錫膏基礎上加入了少量Ag和In，能對機械強度有所提高。Hu等人制備了一系列低溫焊料合金并驗證機械強度。
表1. 實驗焊料合金。
實驗結果
微觀結構
Sn-Bi焊料合金的主要微觀結構為富Bi和富Sn相并具有層狀排列結構。普通Sn42Bi58焊料加熱焊接后可以觀察到焊點本體有明顯的粗的富Bi相。在添加少量Ag后，粗的Bi相大大減少，也就是說，富Bi相的粗化被有效抑制。
圖2. 不同焊料微觀結構。 (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。
在進行拉伸試驗后，可以通過SEM觀察焊點的斷裂形態。從圖3a可以看到焊點解理面（晶體在外力作用下沿著一定結晶方向破裂，并且能裂出光滑的平面）主要由富Bi相的硬脆性斷裂引起。同時，在部分β-Sn相上觀察到韌性斷裂形態。隨著Ag的加入，粗富Bi相產生的解理面略有減少(圖3b)，如圖3(c-f)所示。添加In后，Sn–Bi焊料合金的斷裂沒有明顯變化，很少觀察到凹坑。由于In原子序數與Sn相似，因此在凝固過程中很容易溶解在Sn基體中。因此，In可以軟化Sn基體，從而提高延展性和減少Bi的影響。
圖3. 不同焊料斷裂面。 (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。
機械性能
普通的SnBi共晶焊料合金的拉伸強度和伸長率大概為66.2MPa和23.0%。添加0.4 wt.%的Ag后，焊料合金的抗拉強度有所提升，且延展率提升明顯，表明Ag有利于提高焊料合金的機械性能。這是因為Ag會與Sn形成Ag3Sn IMC，分布在焊料中能夠細化焊料合金的微觀結構并增強焊點強度。此外，在SnBiAg0.4基礎上再添加In后，焊料合金的抗拉強度和延展率也會提高。隨著In添加量增加到1.5%，焊料合金性能進一步改善。不過需要注意的是In的質地較軟，添加量過多容易對焊點強度起到負面影響。
圖4. 不同焊料力學性能。 (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。
低溫錫膏
深圳福英達能夠為客戶提供SnBi57.6Ag0.4低溫焊料合金和錫膏產品。福英達低溫焊料合金球形度高，表面光滑，氧含量低，并且能做成超微錫膏(T6及以上)用于印刷和點膠工藝。福英達的低溫錫膏粘度，觸變性等性能穩定，可以滿足客戶對細間距焊接的要求。
參考文獻
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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