Ag和Sb对Sn58Bi钎料组织的影响

马一鸣，储继君，吕晓春，，孙凤莲

1.哈尔滨焊接研究院有限公司 黑龙江哈尔滨 150028

2.哈尔滨理工大学 黑龙江哈尔滨 150080

1 序言

目前，人们对电子产品的便携性和多功能性需求日益增长，电子产品的小型化、多功能化和高可靠性要求在制造中采用更大尺寸的PCB板和更多的电子元件，然而随着封装密度不断提高，焊点开裂、桥连及枕头效应等缺陷问题一直困扰着电子制造产业，降低钎焊温度成为解决失效问题尤其是枕头缺陷的有效途径。因此，研制钎焊温度更低、焊接可靠性更高的无铅钎料已成为在电子封装领域亟待研究的课题。而Sn-Bi系钎料因其较低的熔点，有望替代Sn-Pb钎料，但其抗氧化性以及组织脆性等方面的不足制约了该钎料体系的应用[1，2]。

2 试验材料及方法

采用感应熔炼方法制备了6种合金成分钎料，其化学成分见表1。

将熔炼的钎料用线切割制成薄片，经过磨削、清洗等措施去除钎料表面影响钎焊性能的物质。制取同质量的薄片在甘油中熔炼制备成φ650～φ750mm钎料球。选择10.0mm×10.0mm×1.0mm的纯铜片为试件，在180℃×30s条件下进行焊接。焊后对焊点剖面进行金相分析，并测量相含量及树枝晶臂间距与共晶片层间距。

表1 钎料化学成分（质量分数） （%）

3 试验结果及分析

（1）组织组成 Sn58Bi共晶钎料的金相形貌如图1a所示，在空冷条件下，其组织为初生树枝晶+等轴共晶，初生树枝晶由β-Sn相与细小棒状或点状的Bi相组成，等轴共晶则呈片层状共晶，分布于树枝晶间且将树枝晶分隔开。

Ag的添加使得钎料中生成Ag3Sn（见图1b），其可横跨初生树枝晶与等轴晶，说明在结晶过程中，Ag3Sn是最先形成的，并可以作为其他相的形核质点。Sb的添加使得钎料中生成灰色点状相（见图1c），对其（A点）进行EDS分析可知，灰色点状相应为Sb2Sn3[3]。Sb2Sn3分布于初生树枝晶的β-Sn中且尺寸小于1mm，这应是在结晶前期，Sb在树枝晶β-Sn中的固溶度较大，而随着温度的下降，Sb在β-Sn中的固溶度不断下降，最终脱溶并生成Sb2Sn3二次相而造成的。微小的Sb2Sn3质点可以对树枝晶起到弥散强化的作用。而对于添加Ag和Sb的钎料，Ag与Sb之间无新相形成，而是分别与Sn反应生成Ag3Sn与Sb2Sn3化合物（见图1d）。

表2 A点EDS分析结果

图1 钎料组织组成

（2）相含量 由于在空冷条件下钎料均形成亚共晶组织，因此分别对树枝晶与等轴晶中的β-Sn相和Bi相含量进行测量（见表3）。与Sn58Bi钎料相比，当添加Ag时（见图2a、图2b），树枝晶含量显著减少，等轴晶中β-Sn/Bi相比值增大，降低了等轴晶的脆性。当添加Sb时，树枝晶含量与β-Sn相总量显著增加，而等轴晶中β-Sn/Bi相比值减小（见图2a、图2c），说明Sb是扩大β-Sn相区的元素，同时，由于在形成树枝晶的过程中消耗掉了更多的Sn，故而造成了等轴晶中β-Sn含量的下降。

Ag与Sb共同添加时，则进一步促进了树枝晶含量与β-Sn相总量的增加，且随着Sb含量的增加，呈先上升后下降的趋势（见图2d～f）。Sb含量的增加，等轴晶中β-Sn相含量始终约为39%，说明Sb对等轴晶的相含量影响不大。

表3 添加Ag和Sb钎料的相含量（质量分数）（%）

图2 钎料相含量形貌

（3）组织细化程度 减小树枝晶臂间距与共晶间距，是提高钎料性能及使用性能的重要途径[4]。因此，选择一次树枝晶臂间距λ1、二次树枝晶臂间距λ2与共晶片层间距λE作为Ag、Sb对组织的细化程度评价指标（见图3）。测量时选取多个平行度较好的树枝晶或共晶片层为一组，计算其平均间距[5]。

由于添加1%Ag使得树枝晶几乎消失，故组织细化程度受枝晶臂间距影响较小，因此，Ag元素可使组织细化（见图4a、图4b），而1%Sb的添加可显著细化等轴晶与树枝晶（见图4a、图4c），这与俞波[6]研究结果相似。

图3 钎料树枝晶臂间距及共晶片层间距

对于共同添加Ag和Sb的钎料，当Sb含量（质量分数）达到1%～1.5%时，λ1减小、λ2与λE均增大，由其树枝晶窄小密集的形貌可知（见图4d～f），Sb促进了树枝晶的形核，造成λ1的减小；而当Sb含量达到2%时，由其树枝晶形貌变为粗大可知，Sb元素抑制了树枝晶的形核，使得λ1增大，此时λ2与λE的大小与Sn58Bi相当。

图4 钎料组织细化形貌

4 结束语

1）Sn58Bi中添加Ag和Sb使得钎料中生成针状Ag3Sn与细小点状的Sb2Sn3化合物。

2）添加Ag和Sb可提高钎料中的树枝晶含量及β-Sn相总量，但因树枝晶的增加，造成等轴晶中β-Sn相含量的减小。

3）添加Ag或Sb均可细化组织，但Ag、Sb共同添加时，会使组织粗化。