铋（Bi）含量对基于锡（Sn）的焊料熔化特性、微观结构及剪切强度的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of Bi content on melting characteristics, microstructure, and shear strength of Sn-based solders

Sn基焊料Bi含量对润湿性、熔点及剪切强度的影响研究。摘要：本研究系统探究了Bi含量（0, 10, 20, 30, 45, 58 wt%）对Sn基焊料在Cu基板润湿性、熔点、微观结构及剪切强度的影响。结果表明，Sn-58Bi焊料润湿角最低（9.28°），熔点显著降低（142.9°C），IMC层最薄（5.95μm），剪切强度达41.42MPa，较纯Sn提升72.73%，揭示了Bi固溶强化及界面吸附效应对性能的协同作用。

　　
本研究系统考察了Bi含量（0至58%）对Sn基焊料在Cu基底上润湿性、熔融特性、微观结构、界面反应及剪切强度的影响规律，为Sn-Bi系列焊料的高性能化改性提供了理论依据。研究通过实验发现，当Bi含量达到58%时，焊料的润湿角降低至9.28°，较纯Sn焊料减少67.6%；熔点进一步降至142.9°C，较纯Sn降低37.4%；同时实现了剪切强度41.42MPa的突破性提升，较基准值增强72.73%。这一系列发现揭示了Bi元素对Sn-Cu体系焊料性能的多维度调控机制。

在润湿性方面，研究揭示了Bi元素的表面张力调控效应。纯Sn焊料在Cu基底上表现出典型的高表面张力（约532mN/m），导致润湿角高达21.3°。随着Bi含量增加，熔融态焊料的表面张力显著降低，这主要源于Bi的熔点（271°C）远低于Sn（232°C），其低表面张力特性（370-410mN/m）通过固溶强化作用有效抑制了Sn表面氧化物的形成，从而改善润湿性能。值得注意的是，当Bi含量超过20%时，熔融焊料的润湿性提升速率开始放缓，这可能与Bi在Sn基体中的固溶度极限有关。

在热力学性能方面，研究系统构建了Sn-Bi焊料的相变图谱。纯Sn焊料在DSC测试中呈现典型的单相熔融行为，熔点区间达25.7°C。随着Bi含量增加，Sn-Bi体系发生连续的相变调控：当Bi含量达10%时，固溶强化导致熔点降低至214.9°C；当含量达到20%时，首次观察到双峰DSC曲线，表明体系进入非平衡凝固状态；当Bi含量达到58%的共晶成分时，熔融曲线呈现单峰特征，熔点降至142.9°C，熔融区间仅10.5°C。这种显著的热稳定性提升为焊料在高温电子器件中的应用奠定了基础。

微观结构研究揭示了Bi含量梯度下的相变规律。纯Sn焊料中形成的Cu6Sn5界面化合物厚度达12.59μm，且呈现粗大的 scalloped 构造。随着Bi含量增加，IMC层厚度呈现先增后减的趋势：在30%Bi时厚度达到峰值12.59μm，之后随着Bi含量增加，IMC层厚度逐渐下降至5.95μm（58%Bi时）。这种变化与Bi在固溶体中的催化作用及共晶反应的抑制效应密切相关。当Bi含量超过45%时，Sn-Bi共晶结构开始主导微观组织，此时IMC层厚度较纯Sn焊料减少32.9%。

界面反应研究揭示了Bi的双重调控机制。在低Bi含量（0-20%），Bi作为固溶体元素显著抑制了Cu向Sn基底的扩散，通过形成纳米级析出相阻碍了Cu6Sn5的连续生长。而在高Bi含量（30-58%），Bi在共晶反应中起到晶核抑制剂作用，促使Cu6Sn5形成细小多边形的颗粒结构（平均尺寸3.59μm），较纯Sn焊料（12.79μm）减少71.9%。这种晶粒细化效应通过Hall-Petch强化机制提升了焊料的屈服强度。

机械性能研究证实了Bi元素的多尺度强化效应。当Bi含量达到58%时，焊料剪切强度突破40MPa大关，较纯Sn焊料提升72.73%。这种增强效果源于三重协同机制：1）固溶强化：Bi原子在β-Sn基体中的固溶导致晶格畸变，提升流变应力；2）析出强化：Bi诱导Cu6Sn5形成纳米析出相，阻碍位错运动；3）晶界强化：Bi含量提升使晶界面积增加，有效阻碍裂纹扩展。微观断口分析显示，随着Bi含量增加，断裂模式从纯Sn焊料的韧性断裂（大量 dimples 和 pit）逐渐转变为脆性断裂（显著 cleavage planes），当Bi含量达58%时，断口上脆性特征占比超过80%。

该研究还存在三点值得后续探索的方向：首先，在58%Bi焊料中观察到的异常低温脆性现象，需结合原位TEM进一步研究断裂机制；其次，未考察Bi含量超过58%的过共晶成分焊料性能，可能存在相分离带来的性能衰减；最后，在多层印刷电路板等复杂应用场景中，需验证该Bi含量体系对热循环（>1000次）的长期可靠性。建议后续研究可结合机器学习算法，建立Bi含量与材料性能的多尺度预测模型，为新型焊料的定向开发提供智能决策支持。