SnBi系合金组织成分.pdf

Sn-Bi 系合金组织成分 Sn-Bi 系焊料，可按图 表示的，能在 139℃共晶点至 232℃的宽熔点范围内做成合金。 图 是随着 Bi 量的变化其组织成分变化的照片，属单纯的 Bi/Sn 共晶组织。由共晶组 织到 21wt % Bi 的组成范围，表示了 Sn/Bi 共晶相和 Sn 相的二相组织。 这种典型的二相领域组织见图，在共晶部分 Bi 在 10Lm以上时会出现粗化形状的结晶， 由 Bi 的脆性会影响到焊料的机械性质。另外，在 Sn 相中有许多微细板状的 Bi 析出， Sn 基块中固溶着多量的 Bi ，根据状态图上的判断， Bi 量在 21wt%以下时不会形成共晶组织， Bi 在 Sn 中产生的偏析且在 Bi 浓度低的领域，容易形成共晶组织。 Sn-Bi 系合金实用化的最大问题点，在靠近 190℃附近做成的焊料，从状态图上采看的 话，其固液共存领域相当大，这个影响作为凝固偏析的现象，在 80 ℃时是十分稳定的合金 组织，超过 140℃ 后 Bi 的粗化即会发生严重脆性。 用低 Bi 合金的 DTA 评价可明显表示在 139℃ 尖顶的吸热峰值，这个现象俗称为“低温共晶” ，实际上称为低温共晶并不确切，仅 仅是由 Bi 的偏析生成的共晶溶解现象。当 Bi 的组成在 21wt%以下时为何会发生共晶点的 溶解，这在状态图上是看不到的。 从图 中看到， 10 % Bi 的组成，从 0 点开始焊料的冷却，首先在 A 点出现固相，这时 固相的组成是 B 点的组成， Bi 浓度比初始焊料浓度低，于是，在当然固相中低状态溶液的 Bi 浓度升高（ C 点），向后续出现的固相 D 点迁移，结果会产生连续性的固相和液相中的浓 度变化。 现实中，对组装基板的冷却都采用缓进形式， 是为预防枝状晶体的形成及凝固的不均匀。 对于生存的偏析，作为熔液残留部分的 Bi 不断地浓化，到最后凝固时的熔液成分如超过 21% ，就形成 Sn-21Bi/Bi 的共晶组织，由此可见，从 O 点开如冷却到 P 点的温度下降，如 不发生上述的分离就没有 Bi 的粗化结晶。关于偏析， Sn-Bi 系和 Sn-Ag-Bi 系存在的问题， 可理解为“ FILLET-LIFTING ”现象。由焊料本身的凝固收缩及焊料与引线的热收缩，会对 固有方向形成一定的力，而没有引线的场合会产生 FILLER-LIFTING 。Bi 对焊区界面的偏析 和通孔中的凝固，可同样理解为杠杆原理的提升，在 Sn-Bi 二元合金研究时，应确认包含 2wt % Bi 的 FILLET-LIFTING ，同样要考虑添加 Bi 后通孔部分的 FILLET-LIFTING 现象。 在实用阶段还需对固液共存领域狭窄的 Sn-2Ag 给予 FILLET-LIFTING 认定，譬如对焊区一 侧电镀 Sn-40Bi 的场合，可认为 Sn-Ag-Pb 三元素固相线一液相线幅度大，这与上面的分析 相同。为避免 FILLET-LIFTING 现象发生，最好研制固液共存领域幅度小的合金焊料，也可 抓住冷却快偏析少的主要因素，通过快冷来抑制 FILLET-LIFTING 现象。 Sn-Bi 系合金的明 显缺点， 是 Bi 的粗化晶体， 因为 Bi 性脆， 粗化结晶的性质与金属间化合物性质相同同样会 恶化机械性能，目前虽然还没看到有关这方面的技术报告，凭经验而言必须避开超过 10um 的组织。另外，利用快速冷却效果，由第三元素的合金化使