SAC305合金以相对较高的熔点而被认为是无铅焊料的重要金属成分。SAC305焊料制备的焊点在受到热循环和机械应力时能保持良好的状态，因此在不少行业如汽车和航空行业有着巨大用途。然而焊点会随着温度和外力影响而出现可靠性减弱的问题。有研究表明含有Ni，Bi，In和Sb的微合金焊点表现出改善的机械特性，如更高的剪切和拉伸强度，以及老化后的微观结构稳定性。
实验设计
老化对焊点的可靠性带来的影响是显而易见的。一般在几个月的老化过程中，焊点的强度会大幅度下降。由于Bi对焊点强度产生影响，因此Belhadi等人(2023)在SAC305焊料中加入了Bi，并观察SAC焊点在老化和剪切作用下的力学性能演变以确定Bi的作用。对于该实验，PCB测试板尺寸为30 mm×30 mm，焊盘之间间距为3mm且焊盘是OSP表面处理。通过植球工艺将三种不同的焊料球（SAC305，SAC-3Bi和SAC-6Bi）回流焊接在焊盘上。剪切应变速率为0.008，0.8和8s-1，老化温度为150℃。
图1. PCB测试板（左）和回流曲线（右）。
实验结果
图2展示了在0.8s-1剪切应变速率下，每种未老化焊料的平均极限剪切强度（USS）和Bi浓度的关系。与SAC305合金相比，SAC-6Bi的极限剪切强度最高。SAC-3Bi和SAC-6Bi的极限剪切强度比SAC305分别增加了122%和127%。剪切强度的增加是由与Ag和Bi的存在产生了固溶硬化和沉淀硬化作用。
图2. 剪切应变速率0.8s-1时不同焊料的极限剪切强度。
三种焊料合金的极限剪切强度都随着剪切应变率的增加而增加，其中含Bi的SAC焊料极限剪切强度仍优于普通SAC305。极限剪切强度增加的原因是焊料合金的粘塑性。焊料粘塑性指的是受应变率影响的焊料随时间变化的塑性变形。在较高的应变率下，焊料的粘塑性特征更加明显，使得焊点有更多的塑性变形和更高的极限剪切强度。
图3. 不同剪切应变速率时的焊料极限剪切强度。
老化会对焊点的剪切强度带来明显的影响。可以发现当老化时间增加时，含有更多Bi的焊料会出现更大幅度的剪切强度减小。老化100小时后，剪切强度最高的焊料是SAC-6Bi，其次是SAC-3Bi。老化1000h后， SAC305 极限剪切强度下降了 26%。 SAC-Bi 焊料极限剪切强度值退化较高，其中SAC-6Bi 强度下降最明显，降低了约57%。
图4.老化后焊料极限剪切强度（剪切应变速率0.8s-1）。
由于Bi在Sn中的溶解度低，当Bi 含量超过在 Sn 基体中的溶解度极限，含有Bi的焊料在老化过程中会出现Bi的沉淀。而Bi的沉淀会造成焊点脆性问题，并使焊点在应变作用下发生脆性断裂。对于SAC-3Bi焊点， 老化1000小时后，由于Bi在150℃下的溶解度极限增加，部分Bi仍能溶解在固溶体中，焊点脆化程度较低。然而，由于SAC-6Bi焊点含有更多的Bi，老化后焊点脆化程度更高，因此剪切强度明显下降。
参考文献
Belhadi, M.E.A., Hamasha, S. & Alahmer, A (2023). Effect of Bi content and aging on solder joint shear properties considering strain rate. Microelectronics Reliability, vol.146. |
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