1.3Sn-Bi系钎料的研究

1.3.1添加其他元素对Sn-Bi系钎料的影响

Sn-Bi系钎料作为无铅钎料，其具有较低的熔点、铺展润湿性好、较好的力学性能、成本低廉等优点，受到广大学者和研究者的关注[11]。在许多情况下，对温度敏感的部件需要在或低于200°C进行焊接。这样带来了低温焊接问题。而Sn-Bi二元合金的共晶温度为138℃，这明显符合低温焊接的温度要求。低熔点使得Sn-Bi合金钎料在电子封装中具有很大的优势。另外，它和传统的Sn-Pb钎料相比，添加的Bi元素是脆性的，而在钎料中加入过量的Bi元素会对Sn-Bi钎料形成的焊点造成不良的影响，比如降低钎料的抗拉强度，使其塑性变差等，这是限制Sn-Bi钎料使用的主要原因[12]。所以研究者试图添加其他的微量元素来改善Sn-Bi钎料的一些性能，使其更具有使用价值。

（1）铺展润湿性钎料的铺展润湿性能是评价钎料能否被使用的一个重要指标。通过铺展率、润湿角和铺展面积来评定。铺展率越大，钎料的润湿性越好，同时铺展面积越大，钎料的润湿性也越好。而润湿角越大，钎料的铺展润湿性则越差。不同的钎料在同一基板表面的铺展能力不同，所以选择钎料时必须考虑其铺展润湿性。在Sn-30Bi钎料中加入0.5wt.%的Cu元素，形成的合金钎料的润湿角比没有添加Cu元素的钎料的润湿角要小，说明添加微量的Cu元素对钎料的润湿性有影响，并且改善了钎料的铺展润湿性[13]。有研究表明，添加微量Zn元素会使近共晶Sn-57Bi钎料的铺展润湿性减小，温度在190℃时与共晶Sn-57Bi钎料相比，其最大润湿力减小了，而温度在190℃以下时，其铺展润湿性能差到几乎无法满足工业使用标准[14]。另外，有研究者发现在Sn-38Bi钎料中分别添加2.0wt.%，3.0wt.%，4.0wt.%Zn元素，并且分别在170℃和190℃下进行铺展润湿试验，发现Sn-38Bi钎料的铺展润湿能力先下降然后又上升，但是这些合金的铺展润湿性都比Sn-38Bi钎料的润湿性要低，所以，其结果表明添加Zn元素会使Sn-38Bi钎料的铺展润湿性降低[15]。同样，在共晶Sn-58Bi钎料中添加Al元素，将得到的合金钎料进行铺展试验，其结果发现钎料的铺展润湿性降低，如图1-2所示，研究者认为可能是因为部分Al在共晶Sn-58Bi钎料中降低了钎料在母材表面的流动性，又或者是因为Al的密度较小，上浮在钎料的表面，与空气接触，发生氧化，形成一层薄的氧化膜，将钎料包起来，阻碍了钎料的铺展[16]。

图1-2Sn-58Bi-Al合金钎料的铺展率随Al含量的变化

在近共晶Sn-57Bi钎料中添加3.5wt.%的Ag元素，发现钎料的最大铺展润湿力变大，但是随着Ag元素的加入，钎料的铺展润湿所需要的时间却变长了[14]。研究者分别在空气和氮气中研究Sn-58Bi钎料、Sn-35Bi-0.3Ag钎料和Sn-35Bi-1.0Ag钎料时，发现不管是在空气中进行钎料铺展润湿实验，还是在氮气中进行铺展润湿实验，在测量的各种钎料的润湿角中，Sn-35Bi-1.0Ag钎料的润湿角最小，Sn-58Bi的最大，这也同样说明添加Ag可以改善Sn-Bi钎料的铺展润湿性[17]。添加In元素在Sn-58Bi钎料中，形成新的钎料再进行铺展试验，发现铺展温度在190℃时的润湿性要比在170℃的润湿性普遍高，并且润湿性均随着In元素添加量的增加而先降低后升高，但是都比Sn-58Bi钎料的铺展润湿性要低，如图1-3所示[18]。

另有研究表明在Sn-Bi钎料中添加微量的Sb元素，会使钎料的铺展润湿力变大，当Sb的添加量大于0.5wt.%时，不但其铺展润湿力开始减小，而且润湿时间也变长[19]。研究者在近共晶Sn-57Bi钎料中添加了1wt.%的Ge，发现其能够改善钎料的润湿性[14]。另外，添加微量的Co元素到Sn-58Bi钎料中，得到Sn-58Bi-0.02Co钎料，试验发现其铺展润湿力变大，润湿时间变短，说明Co元素能够改善共晶Sn-58Bi钎料的铺展润湿性能[20]。还有研究者在Sn-58Bi钎料中加入微量的纳米石墨，发现当纳米石墨的含量在0～0.6wt.%时，所得的钎料的铺展润湿性会随其含量的增多而降低[21]。添加0.03wt.%的CNTs（碳纳米管）在共晶Sn-58Bi钎料中，形成的新的钎料，铺展试验发现其润湿角与Sn-58Bi钎料的相比降低了9.7%，说明添加碳纳米管能够改善钎料的润湿性[22]。另外，有研究发现添加0.1wt.%的稀土RE在Sn-58Bi钎料中，形成新的钎料，进行铺展试验，结果其铺展面积比Sn-58Bi钎料的要大，说明稀土RE能改善钎料的润湿性[23]。