SnBi系合金组织成分

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Bi微细分散，进而来改善Bi原本的脆性。

Sn-Bi合金与Cu连接界面，与Sn-Bi系合金同样会形成Cu6Sn5/Cu3Sn的双层反应层，可以说对Bi的界曲反应是没有小良影口问的。

Sn-Zn系合金的组织成份

Sn-Zn系共晶焊料，其熔点是最靠近Sn-PB 共晶焊料的，且良好机械性能的经济性合金焊料，对其进入实用化存在很大希望。图 是Sn-Zn系合金的状态图，元素间大致上不固溶Sn相与Zn相呈分离状，Zn相有比较大的结晶，图 是Zn量发生变化其组织变化的状况。Sn-Zn系焊料与Cu的界面，会形成与其化Sn系合金不同的界面反应相，用SEM

观察时可看到反应层的一层结构，最近用TEM观察时可观察基三层结构（见图）。

图中，靠Cu一侧的层次未鉴定，大致上组成Cu/10mm左右的Cu-Zn化合层/薄的CuZn层/厚的Cu5Zn8层/Sn-Zn层次。因为Sn中Zn的活量不能高固溶Zn与浮出表面的Cu所形成的界面发生反应，化合物中Sn的固溶度很小，这是生存特异面层的原因。

由于这个合金系界面相的变化大，可以少许灵活地利用界面反应的控制，就是说，不管哪一种合金系，因其界面强度大，所要求的反应层要薄，Sn和Cu的界面反应快，尽管在回流焊工艺中其界面反应从数秒到数拾秒，但形成的反应层已超过了10um这里，参与反应的Zn量很少，Sn只与少量的Zn组成合金化。因此，反应层在达到（成长）数Dam 厚时就可能停止，通过反应层来进行Sn的扩散的因素很小，在短时间内不会形成Sn-Cu

间的化合物。图 上Zn的量为横坐标，表示了反应层厚度的变化，Zn量的减少其反应层厚亦相应减少。由此可见，有必要知道形成反应势垒层Zn量的下限值为多少程度，因为其他类型的合金添加微量Zn时也会产生同样的效果。当然，对添加时发生的耐氧化性的劣化，必须采取相应的措施。

Sn-Zn系合金的存在问题是耐热性，这会影响其实用化的进展，经国外有关专家的试验指出，到125 ℃ 止可充分利用，特别是有150 ℃ 耐热性要求的场合，在Cu一侧与Ni/Pd/Au 等形成的反应势垒，有必要进行充分的电镀。