本文是本专栏系列（第4部分、第3部分、第2部分、第1部分、序言）的第5部分，将讨论主题中最有趣但最复杂的内容——SnAgCuBi系统内四个元素（锡Sn、银Ag、铜Cu、铋Bi）中潜在合理的基本运行机理。我将提供一些与相关属性和性能相关的元素用量的说明。在基于锡的系统中，出发点是要考虑以锡为基体的银、铜、铋三种元素之间冶金方面的相互作用。这三种元素如何单独和共同影响物理和机械性能，以及该系统中每个元素的特定用量对于特定合金成分最终性能的重要性？

首先，为了与SnPb共晶合金回流焊峰值温度保持一致（SnPb合金仍是一个可行的参考基准），目的是使熔点温度尽可能接近SnPb合金，因为所要求的回流过程峰值温度直接由合金的熔点温度决定。回流焊温度对电路板的完整性至关重要，主要是减小任何可检测或不可检测的热损伤风险，而不是将工艺窗口边缘化。

因此，具有挑战性的目标是降低无铅锡基合金的熔点温度，同时又不会进入低温合金领域（例如熔点温度低于175 ^oC）。因此，本项目的研发和可制造性工作都是朝着这一目标努力。

在本文中，出于实用性，非共晶成分合金的液相温度表示为熔点温度；所有元素用量百分比均为重量百分比。

熔点温度

在SnAgCuBi系统中，所有三种元素（Ag、Cu、Bi）都会影响所生成焊料合金的熔点温度；更实际的是，当它们在系统中的用量能够被适当构成时，能够降低Sn基体的熔点温度。对于降低所要求的回流焊温度目标，在保持所需物理属性和机械性能水平的同时，确定四元系统中每种元素的最佳用量，以降低所形成合金的熔点温度，是一项复杂的工作，也是最具科学吸引力的。

在实际用量范围内，以下是熔点温度与相应用量之间关系的实验结果（注释1）概况（所有剂量均以重量百分比表示；百分比允许大约10%的误差）：

1. 熔点温度会随着铜的加入下降，当铜含量为5%时，熔点温度达到最低值。当铜含量超过0.5%，及进一步提高到5%时，熔点温度基本保持不变。
2. 同样，熔点温度随银的增加而降低，在0%左右达到最低值。当银含量从3%增加到4.7%时，合金熔点温度的任何进一步降低都可以忽略不计。当铜含量在0.5%～3.0%之间，银含量小于3%时，随着银含量的降低，熔融区间的液相温度会显著升高。
3. 在该合金系统中，铋对进一步降低合金熔点温度起着重要作用。随着铋用量的增加，合金的熔点温度呈近似线性下降。但是增加铋的用量以降低熔点温度并不是一种万能之计，下面将重点介绍。

实验结果与可用的二元相图或三元相图的指示一致。

冶金科学与属性

从冶金角度讲，银在锡基体中形成第二相，主要是e（Ag₃Sn）。Ag₃Sn颗粒的形态，实质上是金属间化合物，呈结节到长针状；铜与锡相互作用，形成金属间化合物h (Cu₆Sn₅)，基本上呈结节状。铋元素在锡基体中的工作方式不同。在共晶点(138^oC)，铋在锡液中的固溶率可达约21%（重量百分比）。然而，铋在锡液中的固溶率随温度的升高而显著降低，

在室温/环境温度下约为1.0%（重量百分比）。此外，希望这3种元素（Ag、Cu、Bi）以热力学竞争方式相互作用。

在机械性能上，SnAgCuBi四元系统的屈服强度一般遵循近似于第二相（Ag₃Sn）体积分数、金属间化合物（Cu₆Sn₅）体积分数和锡基体中铋沉淀体积分数的线性混合规则。根据Mott及Nabarro应变场理论，Ag₃Sn颗粒的强化效应可解释为由第二相与锡基体的弹性系数和体积差异产生的长期内部应力的结果。由于软锡基体相对较大的颗粒间距，Cu₆Sn₅颗粒可以自由地通过软锡基体中的位错运动。弹性Cu₆Sn₅颗粒的强化机理是由于锡基体中弹性内应力场的建立，为位错运动产生了背应力。

对于疲劳寿命，与其他合金系统一样，底层的运行机理更为复杂，涉及多个问题，并随应变幅度变化。在相对较大的应变幅度下，疲劳裂纹扩展是贯穿整个疲劳寿命的主要问题。在小应变幅度下，疲劳裂纹形成是贯穿疲劳寿命的主要问题。

从目前确定的机理来看，在大应变幅度下，Ag₃Sn颗粒比63Sn37Pb中的富铅第二相更能有效地防止疲劳裂纹扩展。锡基体中的Cu₆Sn₅颗粒在疲劳条件下不会发生疲劳断裂。与Ag₃Sn颗粒一样，Cu₆Sn₅颗粒也是疲劳裂纹扩展的有效屏障。Cu₆Sn₅颗粒的形成也能对锡颗粒进行分割，从而使晶粒细化，进而通过强化晶界滑动机理延长疲劳寿命。

在小应变幅度下，疲劳裂纹形成是贯穿疲劳寿命的主要问题。由于疲劳裂纹形成过程中的循环变形几乎全部发生在锡基体中，因此Ag₃Sn颗粒和Cu₆Sn₅颗粒对抑制循环变形损伤或疲劳裂纹形成作用不大。在锡基体中存在Ag和Cu的情况下，整个疲劳寿命受锡基体或相间键合的疲劳断裂性能的控制。

在这方面，铋在锡基体中起到了增强剂的作用，弥补了银和铜的不足。然而，它的用量很有讲究。

如前所述，随着铋含量的增加，合金的熔点温度几乎呈线性下降。这是否意味着要达到较低的熔点温度从而达到工艺温度，我们可以在SnAgCuBi中添加高含量的铋？答案是完全不可以。

在三种元素的含量之间实现微妙的平衡是实现预期性能的关键。简而言之，这意味着如何达到强度、抗疲劳性以及可制造性的平衡。作为将半导体封装与外界连接的可靠焊点，可以说很容易获得机械强度（在电路板的范围内），为了生产可靠的产品（排除其他外来故障模式），抗热疲劳性能是焊接材料首要考虑的问题。

总之，当银、铜和铋在锡基体中“合适地”调和在一起，且当每种元素都达到最佳比例时，这个系统就能产生奇迹。

作者简介： 黄博士是一位国际商务女强人、国际演讲人、商务与技术顾问，她一直致力于SMT技术及无铅电子的发展，是该行业的领军人。她曾荣获多项殊荣，入选《技术女性》的国际名人堂，入选美国国家工程院，被授予R＆D-Stars-To-Watch和YWCA成就奖获奖者。她曾在洛克希德马丁公司、Sherwin Williams Co.，SCM Corp和IEM Corp.担任高级管理职位，目前是H-Technologies Group的首席执行官，负责提供业务、技术和制造解决方案。她同时担任国防部陆军研究实验室董事会评估主席、商务部出口委员会成员、国家材料与制造委员会成员、财富500强纽约证券交易所以及民间和大学委员会成员。黄女士还拥有多个国际领导职位。她发表了500多篇文章，并出版了多本书籍，并担任贸易、商业、教育和社会问题的演讲者。她获得了4个专业课程的学位，还完成了哈佛商学院执行课程和哥伦比亚大学企业管理课程。欲了解更多信息，请访问www.JennieHwang.com

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