Ag和In對Sn-Bi低溫錫膏力學(xué)性能的改善作用-深圳福英達
Ag和In對Sn-Bi低溫錫膏力學(xué)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(xiàn)焊接。該種錫膏以其低溫焊接和高抗拉強度等優(yōu)點在焊料市場上占據(jù)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(yīng)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(shè)計
市面上應(yīng)用最廣的低溫錫膏是以SnBiAg和SnBiAgIn等合金為基礎(chǔ)制成。這種錫膏在Sn42Bi58共晶錫膏基礎(chǔ)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(jié)果
微觀結(jié)構(gòu)
Sn-Bi焊料合金的主要微觀結(jié)構(gòu)為富Bi和富Sn相并具有層狀排列結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。 (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(tài)。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(jié)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(tài)。隨著Ag的加入，粗富Bi相產(chǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)并增強焊點強度。此外，在SnBiAg0.4基礎(chǔ)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(zhì)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(xué)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(chǎn)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(wěn)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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