无铅选择：锡/银/铜/铋系统
2003-12-21    Jennie S. Hwang   
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无铅选择：锡/银/铜/铋系统

　　“最佳化学成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供更高的强度，以及比63Sn/37Pb高大约200%的疲劳寿命。”

　　锡/银/铜/铋的最佳化学成分，从SMT制造的观点来看，是很有用的，特别是因为它提供较低的回流温度，这是需要的关键所在。

　　最佳化学成分
　　在锡/银/铜/铋系统中的三个元素都会影响所得合金的熔点1,2。目标是要减少所要求的回流温度；找出在这个四元系统中每个元素的最佳配剂，同时将机械性能维持在所希望的水平上，这是难以致信的复杂追求，也是科学上吸引人的地方。
　　以下是在实际配剂范围内一些有趣的发现(所有配剂都以重量百分比表示)：

  • 熔化温度随着铜的增加而下降，在0.5%时达到最小。超过0.5%的铜，熔化温度几乎保持不变。
  • 类型地，当增加银时熔化温度下降，在大约3.0%时达到最小。当银从3.0%增加到4.7%时合金熔化温度的减少可以忽略。
  • 铋对进一步减少熔化温度起主要作用。可是，可加入的铋的量是有限的，因为它对疲劳寿命和塑性有非常大的破坏作用。适当的铋的量大约为3~3.5%。

　　美国专利 5,520,752 透露了一种从锡/银/铋/铜所选的无铅合金：在重量上，大约86~97%的锡、大约0.3~4.5%的银、大约0~9.3%的铟、大约0~4.8%的铋和大约0~5%的铜。3
　　在3.0~3.1%的铋和3.0~3.4%的银、0.5%的铜时，最有效地增加疲劳寿命。再增加任何铜都不会影响疲劳寿命。
　　当铋保持在3~3.1%和铜在0.5~2%时，3.1%的银是达到最大疲劳寿命的最有效的配剂。
　　在系统化设计出来的化学成分之中，显示所希望性能的最好平衡，即，熔化温度、强度、塑性和疲劳寿命。

　　基本的特性与现象
　　基于Sn/Ag与Sn/Cu的二元相图，银与锡之间的相互作用形成一种Ag3Sn的金属间化合物，而铜与锡反应形成Cu6Sn5的金属间化合物。对锡/铋相互作用，预料铋原子作为替代原子进入晶格位置达1.0%；超过1.0%之后，铋原子作为独立的第二相沉淀出来。
　　铋的角色是非常“有力的”2。人们认为，铋的沉淀 - 强化机制通常遵循Mott和Nabbaro应力场理论1,2，因为所测得的合金强度与铋的沉淀体积分数成比例关系。这说明铋沉淀物的强化作用主要来自长期内部应力。
　　93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu可能具有最细的微结构特征尺寸，这解释了它的高疲劳寿命和塑性。银含量高于大约3%预料会增加Ag3Sn颗粒的体积分数，结果强度更高但塑性和疲劳寿命更低。所观察到的高含银量的较低疲劳寿命与较大的Ag3Sn颗粒有关，它使Ag3Sn颗粒体积分数更高。据推测，在含有3~3.4%的银和3~3.1%的铋的锡/银/铜/铋系统中，0.5%的铜最有效地产生适量的、具有最细的微结构尺寸的Cu6Sn5颗粒，因此得到高的疲劳寿命、强度和塑性。

　　与63Sn/37Pb的比较
　　最佳的化学成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供较高的强度，以及比Sn63/Pb37高出大约200%的疲劳寿命。

　　与96.5Sn/3.5Ag的比较
　　93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu具有209° ~ 212°C的熔点温度，比共晶的96.5Sn/3.5Ag低9°C。比较它们基本的机械性能，最佳成分在强度和疲劳寿命上表现较好，如高出大约155%的疲劳寿命。它的塑性比96.5Sn/3.5Ag低，但足够。

　　与99.3Sn/0.7Cu的比较
　　93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu比99.3Sn/0.7Cu表现出好得多的强度与疲劳寿命，但塑性较低。其熔点温度比96.5Sn/3.5Ag低15°C。

　　与Sn/Ag/Cu的比较
　　甚至是与锡/银/铜系统中的最佳性能的化学成分(95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu)相比较时，93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu表现出高得多的强度(屈服强度与抗拉强度)。其疲劳寿命较低，但还是优越于其它二元焊锡。
　　锡/银/铜/铋系统超过锡/银/铜系统最重要的优点是较低的熔化温度。最佳成分提供比锡/银/铜共晶熔点(216 ~ 217°C)低至少5°C。这种锡/银/铜共晶合金熔化温度还太高，不能适应当今SMT结构下的各种电路板的应用(熔化温度低于215°C更现实一点)。

　　推荐
　　熔化比锡/银/铜共晶合金低几度，锡/银/铜/铋化学成分在表面贴装制造中处于优势的位置。考虑到各种印刷电路板(PCB)装配与过程窗口的要求，具有低于215°C熔点的合金对保持已建立的SMT结构的可制造性是必要的。
　　锡/银/铜/铋系统中最佳的无铅焊锡化学成分是93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu。它具有比63Sn/37Pb更高的强度和疲劳阻抗，而塑性方面也不逊色。其相对较低的熔化温度(209~212°C)、狭窄的粘滞范围(小于或等于3°C)和熔湿(wetting)性能特别适合于作为表面贴装应用中的63Sn/37Pb的替代品。该合金也具有比任何二元合金(63Sn/37Pb或96.5Sn/3.5Ag或99.3Sn/0.7Cu)更高的强度。
　　93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu是值得考虑与评估的63Sn/37Pb替代候选合金。

    References
  1. H-Technologies Group Inc. Internal Report - Sn/Ag/Cu/Bi System, 1998.
  2. Jennie S. Hwang, Lead-free Solder - Technology & Applications for Environmentally Friendly Manufacturing, Chapter 10, Electrochemical Publications, Great Britai, to be published, Fall 2000.
  3. U.S. patent no. 5,520,752.

Jennie S. Hwang, is an inventor, author, lecturer, consultant and president of H-Technologies Group Inc., 5325 Naiman Parkway, Cleveland, OH 44139. She has written more than 150 articles and books, including the sole authorship of three SMT-related books: Solder Paste in Electronic Packaging - Technology & Applications for Surface Mount, Hybrid Circuits and Components Manufacturing; Ball Grid Array & Fine Pitch Peripheral Interconnections; and Modern Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing. Contact her at (440) 349-1968; Fax: (216) 464-5728; E-mail: JSLHwang@aol.com.
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