本文是本专栏系列（第5部分、第4部分、第3部分、第2部分、第1部分、序言）的第6部分本篇专栏文章——《铋（Bi）在电子产品中的作用》将讨论在SMT组装工艺中，焊料合金不含铋时（焊膏焊料合金成分中不含铋）对电子产品中焊料互连特性及性能的影响。铋对焊点的影响是在无意中发现的，之后业界将铋加入到形成焊点的焊料合金中。铋的存在会使形成焊点的性能和可靠性发生变化，可能是有益的，也可能是有害的，或是产生无法检测到的影响。
从电子组装的产业链来看，铋可能来自元器件引线涂层、无源元器件端子涂层和PCB表面涂导，这些都含有铋材料（尽管近年来含铋PCB表面涂层并不常见）。因此，即使是在不包含铋的组装工艺中（例如，采用SAC焊膏或SnPb焊膏），也可能将铋引入焊点而导致焊点的特性和性能发生变化。同样，对于BGA元器件，含Bi的焊料球将形成含铋的焊点。
在回流焊后的SMT组装中，焊点的成分预计会与焊膏中使用的焊料合金的成分不同。由于元器件或PCB表面涂层中铋的影响，不应该忽略焊点的成分变化。当采用不包含铋的焊膏进行SMT组装时，元器件引线涂层中铋对焊点成分的影响，取决于：
- 元器件类型
- 元器件引线的结构和尺寸
- 嵌入焊点的元器件引线的表面积
- 涂层厚度
- 所形成焊点的体积（包括焊膏量）
- 基板表面金属（例如，对于铜与镍两种不同的基板表面金属，铋对焊点成分的影响就不同）
例如，一项研究采用了QFP208封装，其间距为20mil（0.5 mm），采用铜引线或42合金引线，引线涂层为SnPb或SnBi，采用SAC305在245°C回流焊接，或采用SnPb焊膏在220°C回流焊接。测试结果表明，在加速温度循环（-40°C至125°C，保持10分钟）条件下，SnBi涂层/SAC焊膏的性能优于SnBi涂层/SnPb焊膏的性能。但是，除了引线元器件材料（用42#合金引线代替铜引线）不同之外，使用相同的系统，SnBi涂层/SAC焊膏和SnPb涂层/SnPb焊膏的性能都比SnBi涂层/SnPb焊膏的性能更好。
对于BGA元器件，与有引线的元器件相比，含铋焊料球对所形成焊料成分的影响更大。尽管如此，当在SMT组装期间使用不含铋的焊膏时，所形成焊点成分将含有比焊球阵列封装（BGA）焊球成分中更少的铋。BGA元器件中的铋对焊点成分的影响取决于：
- BGA的焊料球直径
- 所形成焊点的体积（包括焊膏量）
- 基板表面金属（例如，对于铜与镍两种不同的基板表面金属，铋对焊点成分的影响就不同）
关于表面涂层，一项研究使用SnPb共晶焊膏来检测PCB焊盘铋涂层对焊点完整性的影响[4]。PCB沉积有4~6微英寸的纯铋涂层，并采用表面贴装工艺组装LCC和QFP元器件。对于铋涂层和SnPb HASL表面涂层，疲劳数据显示在给定温度循环下，从失效百分比来看，两种表面涂层的热疲劳结果基本类似。目视检查也发现，温度循环后的焊点具有相同的外观。
因此， PCB表面涂层中的铋对焊点成分的影响取决于：
- 表面涂层厚度
- 焊盘尺寸
- 所形成焊点的体积
铋是一种独特的金属，可以对焊点性能产生多种积极影响（本专栏系列的第2部分、第3部分和第4部分进行了简述）。在锡基二元焊料合金中，其两相相图具有多种强化机制（图1）。通过成分调整和工艺条件变化，有机会操控微观结构。
图1：锡-铜相图示意图
然而，铋是脆性金属并且在锡环境中固溶度有限。铋沉淀过程预计会增加其他强化现象。由于强化机制的转变，屈服强度和铋体积部分之间的关系会发生自然破坏。必须正确使用铋来避免任何可能对焊点可靠性产生不利的影响，这可能导致产品失效。
为了利用铋在形成电子焊料互连中的作用，需要在特定合金成分结构中加入一定剂量的铋；对铋在合金
中与其它复杂成分相互作用的了解是不可或缺的。了解对性能需求的以及应用约束条件也是必须的。
总的来说，必须仔细设计焊点中铋的含量。但是，比较含铋与不含铋的焊料合金的许多研究和测试没有考虑需要铋的剂量。成分不当（具体系统中未含所需的铋剂量）导致测试结果不理想。因此，近十年采用无铅焊料互连材料生产电子产品时，这样的测试结果阻碍了铋在锡基焊料合金中的应用。
References
- H-Technologies Group Inc. “Internal Reports,” 1990–1999.
- Hwang, J. “Lead-free Implementation Series, Part 6—The Role of Bismuth,” IPC Professional Development Courses, 1999–2010.
- Hwang, J. Environment-friendly Electronics—Lead-free Technology, “Chapter 28: The Role of Bismuth,” Electrochemical Publications Ltd., Great Britain, 2001.
- Hwang, J. Environment-friendly Electronics—Lead-free Technology, Electrochemical Publications Ltd., Great Britain, 2001, p. 758.
Jennie S. Hwang博士是一位国际女商人和演讲家，以及商业和技术顾问，是电子硬件制造以及环保无铅电子产品实施的先驱和长期贡献者。在她的众多奖项和荣誉中，她入选国际名人堂——女性技术成就名录，入选国家工程院，研发Stars-to-Watch获YWCA成就奖。曾担任洛克希德马丁公司、Sherwin
Williams公司、SCM公司的高级管理职位和国际电子材料公司首席执行官。现任H-Technologies集团的首席执行官，提供业务、技术和制造解决方案。她是国防部陆军研究实验室评估委员会主席，在商务部出口委员会、国家材料与制造委员会、陆军科学技术委员会、各国家小组/委员会、国际领导职位以及纽约证券交易所和大学董事会任职。她是500多种出版物和系列书籍的作者，以及关于贸易、商业、教育和社会问题的演讲者和作者。她获得四个学位，以及哈佛商学院执行计划和哥伦比亚大学公司治理计划学位。欲了解更多信息，请访问www.JennieHwang.com。要阅读过去的专栏或联系Hwang博士，请单击此处。
