无铅选择：锡/银/铜/铋系统

 锡/银/铜/铋的最佳化学成分，从SMT制造的观点来看，是很有用的，特别是因为它提供较低的回流温度，这是需要的关键所在。
   
    最佳化学成分
    在锡/银/铜/铋系统中的三个元素都会影响所得合金的熔点1,2。目标是要减少所要求的回流温度；找出在这个四元系统中每个元素的最佳配剂，同时将机械性能维持在所希望的水平上，这是难以致信的复杂追求，也是科学上吸引人的地方。
    以下是在实际配剂范围内一些有趣的发现(所有配剂都以重量百分比表示)：
   
    熔化温度随着铜的增加而下降，在0.5%时达到最小。超过0.5%的铜，熔化温度几乎保持不变。
   
    类型地，当增加银时熔化温度下降，在大约3.0%时达到最小。当银从3.0%增加到4.7%时合金熔化温度的减少可以忽略。
   
    铋对进一步减少熔化温度起主要作用。可是，可加入的铋的量是有限的，因为它对疲劳寿命和塑性有非常大的破坏作用。适当的铋的量大约为3~3.5%。
    美国专利 5,520,752 透露了一种从锡/银/铋/铜所选的无铅合金：在重量上，大约86~97%的锡、大约0.3~4.5%的银、大约0~9.3%的铟、大约0~4.8%的铋和大约0~5%的铜。
    在3.0~3.1%的铋和3.0~3.4%的银、0.5%的铜时，最有效地增加疲劳寿命。再增加任何铜都不会影响疲劳寿命。
    当铋保持在3~3.1%和铜在0.5~2%时，3.1%的银是达到最大疲劳寿命的最有效的配剂。
    在系统化设计出来的化学成分之中，显示所希望性能的最好平衡，即，熔化温度、强度、塑性和疲劳寿命。
   
    基本的特性与现象
    基于Sn/Ag与Sn/Cu的二元相图，银与锡之间的相互作用形成一种Ag3Sn的金属间化合物，而铜与锡反应形成Cu6Sn5的金属间化合物。对锡/铋相互作用，预料铋原子作为替代原子进入晶格位置达1.0%；超过1.0%之后，铋原子作为独立的第二相沉淀出来。
    铋的角色是非常“有力的”。人们认为，铋的沉淀 - 强化机制通常遵循Mott和Nabbaro应力场理论1,2，因为所测得的合金强度与铋的沉淀体积分数成比例关系。这说明铋沉淀物的强化作用主要来自长期内部应力。
    93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu可能具有最细的微结构特征尺寸，这解释了它的高疲劳寿命和塑性。银含量高于大约3%预料会增加Ag3Sn颗粒的体积分数，结果强度更高但塑性和疲劳寿命更低。所观察到的高含银量的较低疲劳寿命与较大的Ag3Sn颗粒有关，它使Ag3Sn颗粒体积分数更高。据推测，在含有3~3.4%的银和3~3.1%的铋的锡/银/铜/铋系统中，0.5%的铜最有效地产生适量的、具有最细的微结构尺寸的Cu6Sn5颗粒，因此得到高的疲劳寿命、强度和塑性。
   
    与63Sn/37Pb的比较
    最佳的化学成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供较高的强度，以及比Sn63/Pb37高出大约200%的疲劳寿命。
   
    与96.5Sn/3.5Ag的比较
    93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu具有209° ~ 212°C的熔点温度，比共晶的96.5Sn/3.5Ag低9°C。比较它们基本的机械性能，最佳成分在强度和疲劳寿命上表现较好，如高出大约155%的疲劳寿命。它的塑性比96.5Sn/3.5Ag低，但足够。
   
    与99.3Sn/0.7Cu的比较
    93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu比99.3Sn/0.7Cu表现出好得多的强度与疲劳寿命，但塑性较低。其熔点温度比96.5Sn/3.5Ag低15°C。
   
    与Sn/Ag/Cu的比较
    甚至是与锡/银/铜系统中的最佳性能的化学成分(95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu)相比较时，93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu表现出高得多的强度(屈服强度与抗拉强度)。其疲劳寿命较低，但还是优越于其它二元焊锡。
    锡/银/铜/铋系统超过锡/银/铜系统最重要的优点是较低的熔化温度。最佳成分提供比锡/银/铜共晶熔点(216 ~ 217°C)低至少5°C。这种锡/银/铜共晶合金熔化温度还太高，不能适应当今SMT结构下的各种电路板的应用(熔化温度低于215°C更现实一点)。
   
    推荐
    熔化比锡/银/铜共晶合金低几度，锡/银/铜/铋化学成分在表面贴装制造中处于优势的位置。考虑到各种印刷电路板(PCB)装配与过程窗口的要求，具有低于215°C熔点的合金对保持已建立的SMT结构的可制造性是必要的。
    锡/银/铜/铋系统中最佳的无铅焊锡化学成分是93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu。它具有比63Sn/37Pb更高的强度和疲劳阻抗，而塑性方面也不逊色。其相对较低的熔化温度(209~212°C)、狭窄的粘滞范围(小于或等于3°C)和熔湿(wetting)性能特别适合于作为表面贴装应用中的63Sn/37Pb的替代品。该合金也具有比任何二元合金(63Sn/37Pb或96.5Sn/3.5Ag或99.3Sn/0.7Cu)更高的强度。
    93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu是值得考虑与评估的63Sn/37Pb替代候选合金。

 

个人小结：对于新一代无铅环保PCB生产来讲， 93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu是很值得推荐的。