中国科技信息２０１４年第ｏ８期・ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ａｐｒ．２ｏ１４ 基础及前沿 浅谈Ｓｎ－Ｂｉ合金焊料的发展 张杨阳 东南大学机械工程学院，江苏 南京２１１ １ ８９ 摘要 张杨阳 介绍了替代含有毒元素的铅锡焊料的无铅焊料ｓｎ—Ｂｉ合金，简述了ｓｎ—Ｂｉ合金的 性能、优缺点，通过添加一些其他元素来改善其性能。最后介绍了其国内外 发展状况及在中国的发展前景。 关键词 ｓｎ—Ｂｉ合金；无铅焊料 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１４．０８．０１ ９ 进入２１世纪以来，人们的生活水平不断的提高，人们 合金均匀，没有缝隙、气泡等不良现象键合封装工艺气 开始意识到绿色环保的重要性［】］，人们越来越重视铅对人 密性较好。 类和环境的破坏性影响。欧盟通过电子电气设备废弃法令 ＳｎＳ￣ｌｌＢｉ都是无毒性元素，且其合金也是无毒的。而且 （ＷＥＥＥ）明确规定，从２００６年７月起，电子电气产品必须 Ｓｎ—Ｂｉ焊料的成本低廉，能够大量生产满足需求。Ｓｎ－Ｂｉ 实现无铅化以来，愈多其他国家的无铅法案也陆续推出， 合金焊料的润湿角￣ＥＳｎ－Ｐｂ焊料大，但都小于４５。，而且 电子行业中焊料的无铅化已经成为不可逆转的趋势。研制 流动性也好，所以其润湿性较好。Ｓｎ－Ｂｉ合金具有良好的 开发无铅焊料的一般要求【２】是：１）无毒性，其成分必须无 力学性能。室温下，它￣ＬＳｎ－Ｐｂ焊料具有更高的屈服强 毒。２）熔点，接近锡铅焊料的共晶温度（１８３℃）。３） 度、剪切强度、拉伸强度和抗蠕变性。它也具有良好的热 较小的固液共存范围。４）良好的润湿性。５）良好的力学 疲劳性能。 性能。６）良好的物理性能。７）生产的可重复性。８）良 但是Ｂｉ原本性质脆弱，使Ｓｎ—Ｂｉ合金焊料表现出脆 好的耐腐蚀性。９）较低的成本价格。１０）储备供应需求 性大、延展性小的特征。这会导致合金焊料的塑性降 多。目前世界公认的无铅焊料以Ｓｎ－Ａｇ—Ｃｕｔ引为代表，它 低， 情况严重时会出现脆性破坏， 从而严重影响焊接 与传统焊料的相容性较好，可靠性高。但是其Ａｇ为国家战 接头性能。 略储备，合金成本高，并且合金熔点比原来的Ｓｎ－Ｐｂ铅料 研究发现，通过在Ｓｎ—Ｂｉ合金中加入其它类元素，可 高，导致组装温度上升，所以不能完全替代含铅焊料。锡 以减缓Ｂｉ的粗化及脆性，改善合金性能。适量的Ａｇ可以 铋合金镀层有无晶须、熔点较低、可焊性好等优点，是很 提高焊料的合金强度、改善焊料塑性和提高热疲劳强度， 有希望的无铅焊料镀层之一，并已在国外大量推广应用， 增加延展性，改善润湿性能，提高冲击强度。但是Ａｇ的 在国内的研究和应用则较少。 加入对焊料的熔点影响不大。而铜的加入可以降低焊料的 合金熔化温度，并提高了其剪切强度。Ｉｎ的加入可以使焊 １ Ｓｎ—Ｂｉ焊料合金的性能 料的共晶温度和熔化温度都降低，但不同Ｉｎ的含量影响程 度不同。Ｉｎ的含量也对焊料合金的组织的影响程度不同。 Ｓｎ－５８Ｂｉ合金焊料的熔点为ｌ３９℃，低于传统的Ｓｎ－ 在合金中Ｓｂ添加量大于０．５％，焊料的合金共晶比例和熔 ３７Ｐｂ焊料的ｌ８３摄氏度，低熔点的焊料可以应用在多层电 化温度随着Ｓｂ添加量的增大而增大。Ｓｂ可以提高合金的硬 路板焊接、防雷元件焊接和其他对温度敏感性强的无铅 度，改善润湿性，改善脆性。但是Ｓｂ的添加并不能改善Ｂｉ 电子产品等焊接中。这减少了焊接材料由于热膨胀带来 的偏析甚至会在晶界处形成网状共晶组织而出现粗大的Ｂｉ 的危害，而且使得没有高温耐热性能的电子元器件得到 相，从而易引起“焊点剥离”。Ａｌ的添加可以提高焊料合 应用，降低了生产成本。Ｓｎ－Ｂｉ合金焊料焊接时不需要助 金的拉伸强度，有效缓解Ｂｉ的粗化现象。但是Ａｌ的添加会 焊剂，减少了助焊剂带来的污染，而且其焊接区的键合 使焊料的铺展性降低，降低了合金的流动性能。而且Ａｌ 一７１一 基础及前沿 中国科技信息２０｛４年第∞期・ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ａｐｒ．２０１４ 光亮度高，操作条件宽松，对环境适应性较强。刘尧＿８１等 人采用机械搅拌技术制备锡铋合金半固态浆料，研究了搅 拌温度、搅拌时间对锡铋半固态合金组织和力学性能的影 响。试验结果表明：搅拌速度为３２０ｒ／ｍｉｎ、搅拌时间为 １０ｍｉｎ、搅拌温度为１４５ｅ时的搅拌效果相对较好，得到了 与合金密度相差较大，容易出现上浮现象，降低焊料的 润湿性。 ２国内外发展现状 在２０世纪８０年代后期，美国首次颁布了铅的使用 法律，后来发展到其他发达国家，促使世界上用量最大的 铅锡焊料从生产到使用得到了强烈的冲击， “无铅锡基环 保焊料”成为最热门的研究话题Ｈ］。欧共体的奥地利、德 国、法国、英国等１６国联合制定了ＣＯＳＴ５３１（无铅焊料 材料）研究计划。对无铅焊料的研究，基本上是从以下三 近球形的半固态锡铋合金金相组织，固相颗粒的尺寸较 小，分布较均匀。湖南大学硕士生雷晓娟＿９ 采用合金化的 方法研究了两种Ｓｎ—Ｐｂ合金替代材料：Ｓｎ一２０Ｂｉ一０．７Ａｇ一 ０．１Ｉｎ一０．５Ｇｅ一０．５Ｃｅ一０．５Ｓｂ一０．３Ｇａ＊ｌＳｎ一１４Ｂｉ一２．４Ａｇ一 ０．５Ｉｎ－０．５ｓｂ无铅 个方面进行的：１）新型无铅焊料合金的研制与设计；２） 焊接头疲劳研究及可靠性设计；３）无铅焊料］：艺性能研 究。通过多年的研究，各国都有了一定的进展，使无铅焊 料可以部分取代铅锡焊料。 我国研究无铅焊料的历史不长，但发展速度很快。研 焊料合金。得出了添加０．７％的Ａｇ、０．１％的Ｉｎ可以使Ｂｉ 的偏析稍有改善，Ｂｉ细小分散。添ＪＪｌｌｎ和Ｇａ可以降低焊料 熔点。Ｇａ、Ｃｅ、Ｓｂ增大ｉ＊Ｂｉ的偏析。但Ｓｂ可以提高焊料 的硬度，Ｃｅ可以细化焊料晶粒。Ｇｅ有使Ｂｉ球化的倾向。这 两种合金改善了Ｓｎ－２０Ｂｉ的脆性，使偏析有所减少，其熔 点和机械性能与Ｓｎ６３／Ｐｂ３７接近，但可焊性稍差。 究工作主要集中在大专院校和科学研究院。但是由于我们 还没有颁布铅的使用的立ｌ『’去条案，国内主要生产使用 的还是铅锡焊料。这使得我国一些技术较高的产品，由于 使用ｒ铅锡焊料，在出口时受到阻碍，这已经严重影响了 这些产品在国际市场上的竞争力。 近年来材料工作者主要在Ｓｎ－Ｂｉ合金的基础上增加一 种或多种元素。日本是研究Ｓｎ－Ｂｉ系焊料较早的国家，而 且申请了一系列专利。但初期的专利成分中都含有Ａｇ，增 加了战备资源Ａｇ的消耗，使得焊料的成本增加。后来美国 专￣１１６１８０２６４公开的ｓｎ—Ｂｉ—Ｃｕ组分（含有质量分数０．１％～２．０％ 的Ｃｕ，１．０％～７．５％的Ｂｉ），排除了Ａｇ的使用，降低了生 成成本，但是Ｂｉ的含量太低会使焊接时对电子元器件的冲 ３结语 随着时代的不断变迁，我国必将踏入无铅焊料的时 代。电子无铅焊料已经成为不可逆转的趋势。尽管Ｓｎ－ Ａｇ—Ｃｕ系列合金在市场上已经得到一部分应用，银价的 上涨会使得Ｓｎ—Ａｇ－Ｃｕ系列合金市场竞争力下降。相比 较下，新型的具有高可靠性和工艺良好的低温无铅焊料 Ｓｎ—Ｂｉ合金系必将崛起，将来将是研究基于Ｓｎ—Ｂｉ合金的 各种焊料合金的舞台，其合金配方和制备工艺将成为其发 展方向和特点。而中国是世界上Ｂｉ的储备大国，更加为中 国进入世界先进无铅焊料的市场打下一个夯实的基础。 击和腐蚀损害。后来北京有色金属研究总院、北京康普锡 威焊料有限公司公布了低温Ｓｎ－Ｂｉ－Ｃｕ（ＳＢＣ３００５）焊料， 这种焊料在性能上ＬｇＳｎ－Ｂｉ共晶有较大提高，而成本低于 Ｓｎ—Ｂｉ共晶，至此再次掀起对Ｓｎ—Ｂｉ系焊料研究的狂潮。 现在各国研究者对Ｓｎ—Ｂｉ合金焊料的研究和制备工艺 的改进的关注越来越大，我国在这方面也得到了一定进 参考文献 【１］王阳，胡望宇，舒小林，赵立华，张邦维．ｓｎ—Ｂｉ合金系 低温无铅焊料的研究进展［１１＿材料导报，１９９９（０３） 【２１胡丽，曾明，沈保罗．Ｓｎ—Ｂｉ：Ｇ４１￣焊料的研究卟现代电子 技术．２００９（１６） 步。黄鑫＿５ 等人进行了锡铋合金电镀工艺条件的研究，通 过对硫酸盐锡铋合金电镀液配方的改进，研究了镀液中 稳定剂、平滑剂、光亮剂、表面活性剂含量及操作条件 【３】徐骏，胡强，林刚，张富文．ｓｎ—Ｂｉ系列低温无铅焊料及 其发展趋势卟电子工艺技术，２００９（Ｏ１） ［４】 张红耀．无铅焊料的发展概况叫．云南冶金，２００２（０５） 『５】黄鑫，贺子凯，王敏，王家禄．锡铋合金电镀工艺条件的 研究【Ｉ１ｌ电镀与涂饰，２００４（０４） 对镀液及镀层性能的影响，使得该镀液稳定、易操作， 且获得的Ｓｎ－Ｂｉ合金镀层均匀致密、光亮、结合力及钎焊 性优良。任清哺 提出了一种经济、简易的镀锡一铋合金工 艺配方及电解液的配制方法，但是该工艺ｑ￣Ｎｏ；离子对某 些光亮剂有毒害作用，以至于光亮不均与。冯祥明【７ 等人 用小槽试验与Ｈｕｌｌ槽试验，对合成出的若干种作为电镀 Ｓｎ—Ｂｉ合金光亮剂的有机物进行了研究，讨论了在各种工 艺条件下该光亮剂对合金镀层外观的影响以及工艺条件对 镀层中铋含量的影响，并确定了最佳工艺。研制出一种 新型电镀锡铋合金工艺，其最佳工艺条件为：Ｈ ＢＯ ３０ｇ／ Ｌ，ＳＮＢＯ ３０ｇ／Ｌ，ＮＨ４ＣＩ５Ｏｇ／Ｌ，柠檬酸三钠醇２ｇ／Ｌ，辅 光￣ｔ２０ｍｌ／Ｌ，ＰＨ＝４．０—４．５，ｊｃ＝０．５０～１．２５Ａ／ｄｍ 。镀层 【６］任清．电镀锡一铋合金工艺卟电镀与精饰，２０００（０２） 『７】冯祥明，吴慧敏，左正忠，刘仁志，杨磊，张海燕电镀 光亮锡铋合金工艺研究卟材料保护，２００２（１２） 【８】刘尧，李风．半固态成形工艺对ｓｎ—Ｂｉ合金性能的影响Ｕ１． 广东工业大学学报，２００８年１２Ｎ，２５（４）：２４～２７． 【９】 雷晓娟．Ｓｎ—Ｂｉ系低熔点非共晶无铅焊料的研究【Ｄ１．湖南 大学，２００７． ７２
