系列专栏《铋(Bi)在电子产品中的作用》探讨了元素铋(Bi)的属性、安全性、资源、铋在SnPb中的作用，以及当铋不是无铅焊料合金的组成元素时，铋对焊料互连特性和性能的影响。
之前的专栏文章还强调了Sn基无铅SnAgCuBi或SnAgCuBi+系统（“+”表示系统中包含的其他掺杂元素）中Sn、Ag、Cu、Bi4种元素的复杂相互作用。此外，还概述了含有这些常用和可能使用元素的无铅合金的潜在运行机理和由此产生的机械行为。本文的重点是案例研究，说明一种称为焊料填充起翘的疑难现象，已经收获的经验，以及这些发现如何继续帮助开发新无铅合金。
焊料填充起翘现象“激发”了人们对铋在锡基合金体系中如何作用的丰富思考和深入研究。这一了解有助于缩短开发时间，以形成可行的合金配方，以在微电子、电子产品不可避免地遇到的热疲劳环境下满足所需的性能。
背景
在欧盟于2000年12月提出并于2003年2月通过《有害物质限制指令(RoHS)》（随后由美国、日本和其他国家实施）的十年前，美国、日本和联盟的各个实验室已经进行了大量的研发工作。其主要目标之一是找到SnPb共晶合金的“直接”或“近乎直接”替代品，以便SMT制造过程中，如PCB材料、回流焊和波峰焊工艺，能够保持完整而不受干扰。
通过对“逻辑”合金潜力的全面研究和彻底检查，包括仔细阅读整个元素周期表，发现最具挑战性的性能是（现在仍然是）将无铅合金的熔融温度（液相线温度）保持在175~195℃的范围内，同时满足所有其他必要的特性和制造要求。
在不深入研究历史背景和具体情况下，为了保持足够低的熔融温度，所采用的一种方法是将元素Bi添加到Sn基体系中。
现象
据报道，20世纪90年代末和21世纪初出现了一种称为焊料填充起翘的现象，指波峰焊完成后，焊料和PCB的通孔焊盘之间的焊料填充部分分离（开裂）（图1）。值得注意的是，在表面贴装焊点中几乎没有观察到这种现象；然而，通孔焊接接点反复出现这种现象。还应注意的是，这种焊料填充起翘现象在加工后立即出现（在任何加速可靠性测试之前）。
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图1：焊料填充起翘现象
总体而言，主要观察结果如下：
- 波峰焊后，焊料填充起翘与通孔焊点有关；
- 没有检测到与SMT元器件相关的焊点分离（开裂）；
- 焊点开裂通常从通孔焊点的远端开始（图2）。
图2：焊点开裂通常从通孔焊点的远端开始
以下要点概述了与各种无铅成分有关的主要发现。焊料填充起翘的研究总结如下：
- 采用Sn3.4Ag>4.8Bi合金时，90%以上的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
- 采用SnAg>7.5Bi合金时，90%以上的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
- 采用SnPb涂层元器件时，使用各种无铅合金（在不含Bi的情况下）的通孔焊点会出现严重的焊料填充起翘；
- 采用Sn3.5Ag0.5Cu1Zn合金时，一些通孔焊点会发生焊料填充起翘；
- 采用Sn2.6Ag0.8Cu0.5Sb合金时，一些通孔焊点会发生焊料填充起翘；
- 采用96.5Sn3.5Ag合金时，30%的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
- 采用58Bi42Sn合金时，0%的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
- 采用63Sn37Pb合金时，0%的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
- 采用任何合金，表面贴装焊点开裂均为0%。
因素和原因
根据观察，焊料填充开裂似乎是从孔壁焊盘的远端开始的，此外发现开裂仅发生于通孔焊点，焊料填充起翘归因于组件冷却和焊料固化过程中产生的过大应力。造成这种过度应力的因素可能来自以下几个方面：
- 冷却速度
- 最大温度梯度（焊料槽温度）
- PCB结构（焊盘设计、板厚度）
- 焊料合金成分（熔融温度、合金糊状区、冶金相）
- 焊料合金（应力和应变行为）
- 润湿能力（固有合金润湿能力）
- PCB焊盘的润湿性
在大多数实际情况下，焊料填充起翘极有可能是由上述一种以上因素造成的。
在冶金方面，该现象也被认为是凝固过程中偏析和、或低熔融Sn-Bi共晶相形成的结果（如适用）。如果或当形成低熔融SnBi共晶或其他低熔融相时，低熔融相可能是罪魁祸首。尽管如此，当Bi刚刚出现时，并不一定能形成低温Sn-Bi相。
焊料填充起翘可能会也可能不会导致电路板故障或产品故障。然而，即使没有机械或电气故障，也应该检查和修复焊料填充起翘现象。
补救措施和预防
为了缓解组装操作中的问题（当给定PCB设计且不易更改时），需要考虑以下方面：
工艺方面：
- 降低冷却速度
- 如果可行，避免使用高焊接温度
材料方面：
- 适当选择合金成分（例如，具有足够的塑性应变）
- 选择合金糊状区窄（小于10度）的合金成分
- 选择具有良好内在冶金润湿性的合金成分
- 确保PCB焊盘具备充分的湿润状况
- 确保有兼容的助焊剂
收获的经验
在初期（即设计阶段）应避免出现可能危及另一个性能参数的某一性能特性。这听起来似乎是在陈述显而易见的事实，但事实是，由于缺乏对工艺、材料以及工艺与材料之间兼容性的全面了解而导致的事故多发。
铋是一种特有的元素，可以为电子产品提供有益的重要用途，但必须适当科学地使用。
锡基无铅体系中，Sn、Ag、Cu、Bi4种元素相互作用和潜在的冶金相互作用非常复杂。对于Sn基无铅合金体系，从可靠性的角度来看，通过添加或去除元素，以及仅仅减少或增加元素的剂量来达成某一特性或性能参数，这并不是稳健的方法。
对于可靠性，制造工艺、材料和兼容性，三者紧密交织在一起；电子系统的设置、选择和设计必须将工艺、材料和兼容性视为相互依赖的三要素。
注意事项（意识）
本文讨论的是含铋元素的锡基体系。在实践中，“基体”实际上被定义为构成合金体积50%或以上的元素（即用作冶金基体）。应区分含铋锡基合金和铋基合金。当为微电子、电子封装和组件设计、选择和使用无铅焊料合金时，这种区别非常重要。
- 含铋锡基合金
例如：93Sn3.0Ag1.0Cu3.0Bi
例如：93Sn3.0Ag1.0Cu1.0Bi2.0XYZ
- 铋基合金
例如57Bi41Sn2Ag
例如57Bi41Sn1.5Ag0.5XYZ（掺杂剂）
后续专栏文章将讨论铋的属性、性能以及对电子产品可靠性的影响。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年8月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
