0 引 言

随着微连接行业的快速发展，无铅钎料的研发与应用得到了广泛重视[1]，多级封装结构需经过多次回流焊工艺，针对每一封装级别需选用具备相应熔点的无铅钎料进行连接。因此分为低温钎料、中温钎料以及高温钎料。其中共晶Sn58Bi (SnBi)钎料的熔点为139℃，广泛应用于二级封装或三级封装中的低温钎焊连接。SnBi钎料具有成本低、润湿性好、孔隙率低等特点[2-6]，在微电子行业中应用广泛。然而SnBi钎料中Bi含量较高，由于富Bi相脆性较大，对钎焊接头塑性、韧性造成影响，容易发生接头脆性断裂[6-8]。因此，针对SnBi钎料的成分与性能优化是低温封装领域的研究热点。

为了研究Ce3+：YAG荧光薄膜上转换发光的过程，我们得到了样品的上转换发光强度和泵浦光强度双对数曲线，根据样品发射光谱的三个峰值分布，我们分别测得了521nm、540nm和549nm 时功率关系的双对数曲线并分别得到了它们的斜率，如图6所示。

通过合金熔炼在SnBi中添加其它組元成为其性能优化的主要方式，Elton及胡丽等研究发现[10-12]，在SnBi钎料中添加适量Ag具有改善合金塑性的效果，当Ag质量分数为0.5～1.0%时，合金伸长率最高。张富文等[13]研究发现，适量Cu的添加对于SnBi合金的脆性同样具有一定的抑制效果。李群[14]等的研究表明，钎料中添加Al有利于其力学性能的改善，当钎料中Al元素质量分数达到1%时，其拉伸强度增加了9.57%。然而，钎料中Al的添加导致其润湿性下降。Zhang等[15]通过在熔融的Sn中加入Bi和SnSb中间合金的方法制备了复合钎料，研究了Sb含量对SnBi钎料性能的影响。当钎料中Sb质量分数达到2%时，焊点的剪切强度达到最大值。Liu等[16]通过在SnBi焊膏中加入Y2O3颗粒制备复合焊膏，研究了Y2O3颗粒的添加对SnBi钎料微观组织及剪切性能的影响。综上所述，在SnBi钎料中添加Ag、Cu等其它组元有利于钎料合金性能的改善。但常规的合金熔炼方法将对钎料合金熔化特性产生影响，进而影响其钎焊工艺性能。因此，本研究中采用机械混合的方式向SnBi焊膏中添加Sn-Ag-Cu-Bi-Ni (SACBN)合金粉末，制备SnBi复合锡膏。在不改变锡膏熔化特性的前提下，通过钎焊过程中熔融SnBi合金与固态SACBN微粒之间的冶金反应，获得优化的钎焊接头，研究SACBN微粒添加对复合锡膏焊后微观组织及力学性能的影响。

在初中数学教学中，如果学生学会运用逻辑思维思考问题，可以让学生在面对数学问题的时候，运用合理分析、推理及论证等方法，对数学知识进行有效判断，以找出更清晰、明确的解题方法。

1 实 验

采用市售SnBi锡膏与课题组研发的SACBN合金微粒进行机械混合，制备复合锡膏。其中，SACBN微粒质量分数分别为0、0.5、1、5%。通过钢网印刷的方式在清洁铝板上印刷体积均匀的锡膏点。采用等温加热设备进行回流焊，控制回流温度为180℃，回流时间90 s，获取焊后钎料合金试样。本文重点研究焊后钎料合金微观组织与力学性能。为避免钎料与基板界面反应的影响，采用与钎料不润湿的铝板作为基板，借助熔融钎料表面张力的作用，制备球型焊点试样。

财商教育是一种对孩子知识结构完善的方式，它的目标是培养孩子正确的金钱观念和基本的理财技巧，这种教育最务实、最实际，它能够解决孩子在实际生活中面临的关于金钱与财富的问题。

2 结果讨论

2.1 显微组织

图3所示为Sn-Bi二元相图。由图可知，SnBi共晶合金熔点为139℃。前期研究表明SACBN合金熔化温度约为220℃[18]。因此，在本文中采用的180℃钎焊条件下，SnBi合金熔化并与固态SACBN微粒接触，形成钎焊焊点。由于液态SnBi与固态SACBN微粒之间的相互作用(溶解、扩散)，使液态合金偏离SnBi共晶组分。由于SACBN微粒中主要成分为Sn，导致焊后合金中Sn相增多，合金向亚共晶成分转变。由Sn-Bi相图可知，合金由共晶成分向亚共晶成分转变促使其液相线温度升高，熔程(△T)增大。在合金冷却凝固过程中，温度达到液相线温度时析出β-Sn相。当温度继续降低至合金固相线温度时析出Sn-Bi共晶相。因此，如图2所示，随着复合锡膏中SACBN含量增大，焊后合金中β-Sn相增多。同时，由于合金熔程增大，有利于β-Sn相生长，导致其晶粒尺寸增大。

  

图1 SnBi-SACBN焊点微观组织及能谱分析

复合锡膏焊后合金硬度及弹性模量测试结果如图4、5所示。可见，随着复合锡膏中SACBN微粒含量的增加，焊后合金硬度及弹性模量均呈下降趋势。SnBi焊后合金硬度与弹性模量值分别为219.05 N/mm2和5.93 N/mm2，当SACBN微粒添加到5%时，硬度与弹性模量分别下降为174.18 N/mm2和2.86 N/mm2。由图2所示合金微观组织可知，共晶SnBi合金中富Bi相晶粒细小并呈网状组织结构。由于富Bi相硬、脆，以及其网状结构的特点，导致SnBi共晶合金在外力作用下难以通过形变吸收应力，故其硬度与弹性模量较高，同时也易导致脆性断裂。通过复合锡膏中SACBN微粒的添加，焊后合金中β-Sn相含量显著提升，并改变了共晶SnBi合金中细小的网状组织结构。在外力作用下，通过β-Sn相形变吸收外界应力，抑制合金脆性。此外，合金中Ag、Cu、Ni等元素的添加对其力学性能改善同样起到积极效果[19-20]。

  

图2 SACBN微粒的添加对合金微观组织的影响

图1(a)所示为SnBi共晶焊点的微观组织形貌，其微观组织呈细小的网状结构。图1(b)为SnBi共晶焊点微观组织的局部放大图。能谱分析表明，表面不规则网状组织为富Bi相组织，而基体灰色相为β-Sn。

2.2 复合锡膏焊点力学性能研究

图2 (a)、(b)、(c)、(d)所示分别为SACBN微粒质量分数为0、0.5、1、5%的焊点微观组织形貌。由图可知，随着复合锡膏中SACBN微粒含量增加，焊点微观组织中富Bi相晶粒尺寸增大，晶界变宽。同时β-Sn晶粒尺寸增大。通过焊点微观组织形貌中富Bi相与β-Sn相对比发现，复合锡膏中SACBN微粒含量增大显著提升焊点中β-Sn相的相对含量，而富Bi相含量则相对减少。

  

图3 Sn-Bi共晶合金二元相图

  

图4 SACBN质量分数对合金硬度的影响

  

图5 SACBN质量分数对弹性模量的影响

3 结 论

1)采用机械混合的方法制备了SnBi-SACBN复合锡膏。该复合锡膏可采用与SnBi相同的焊接工艺进行焊接。

对试样分别进行镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等处理，采用扫描电子显微镜与能谱分析对焊点进行微观组织观察及成分分析。借助纳米压痕设备对焊点微观力学行为进行表征[17]。设定参数最大载荷100 mN，加载时间10 s，加载速率10 mN/s,为了减小测试误差，对每种焊点分别进行10次压痕测试取平均值，获取其微观力学性能参数。

2)随着复合锡膏中SACBN微粒含量增大，焊后合金中β-Sn相增多，富Bi相含量降低，同时合金中由富Bi相构成的细小网状组织结构得到抑制。

（151）石生耳叶苔 Frullania inflata Gottsche，Syn.熊源新等（2006）；杨志平（2006）；范苗等（2017）

3)当复合锡膏中SACBN微粒焊料由0增大至5%时，焊后合金硬度由219.05 N/mm2下降为174.18 N/mm2，弹性模量由5.93 N/mm2下降至2.86 N/mm2。

参 考 文 献:

[1] 张新平, 尹立孟, 于传宝. 电子和光子封装无铅钎料的研究和应用进展[J]. 材料研究学报, 2008, 22(1):1-9.

[2] 董文兴, 郝虎, 史耀武, 等. 稀土改性的 Sn-58Bi 低温无铅钎料[J]. 电子元件与材料, 2007, 26(6): 21-23.

[3] 张浩. 纳米颗粒对Sn58Bi/Cu微焊点的改性及机理研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2015.

[4] TSAI Y D, HU C C. Composition and Microstructure Control of Tin-Bismuth Alloys in the Pulse Plating Process[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2011, 158(8): 482-488.

[5] 刘晓英, 马海涛, 王来. 超细氧化物颗粒对Sn-58Bi钎料组织及性能影响[J]. 大连理工大学学报, 2008, 48(1):51-57.

[6] 王阳, 胡望宇, 舒小林,等. Sn-Bi合金系低温无铅焊料的研究进展[J]. 材料导报, 1999(3):23-25.

[7] 徐骏, 胡强, 林刚, 等. Sn-Bi 系列低温无铅焊料及其发展趋势[J]. 电子工艺技术, 2009(1): 1-4.

[8] 尹恒刚. Cu和Zn元素的添加对SnBi无铅焊料合金性能的影响[D]. 重庆：重庆大学, 2013.

[9] XIA Z, CHEN Z, SHI Y, et al. Effect of Rare Earth Element Additions on the Microstructure and Mechanical Properties of Tin-silver-bismuth Solder[J]. Journal of Electronic Materials, 2002, 31(6): 564-567.

[10] MIAO H W, DUH J G. Microstructure Evolution in Sn-Bi and Sn-Bi-Cu Solder Joints Under Thermal Aging[J]. Materials Chemistry and Physics, 2001, 71(3): 255-271.

[11] KIKUCHI S, NISHIMURA M,SUETSUGU K, et al. Strength of Bonding Interface in Lead-free Sn Alloy Solders[J]. Materials Science and Engineering: A, 2001, (319): 475-479.

[12] 胡丽, 曾明, 张业明, 等. Ag 对 Sn-Bi 无铅钎料压入蠕变性能及显微组织的影响[J]. 西华大学学报: 自然科学版, 2010, 29(4): 72-74.

[13] 张富文, 徐骏, 胡强, 等. Sn-30Bi-0.5 Cu 低温无铅钎料的微观组织及其力学性能[J]. 中国有色金属学报, 2009, 19(10): 1782-1788.

[14] 李群, 黄继华, 张华,等. Al对Sn-58Bi无铅钎料组织及性能的影响[J]. 电子工艺技术, 2008, 29(1):1-4.

[15] ZHANG C, LIU S D, QIAN G T, et al. Effect of Sb Content on Properties of Sn-Bi Solders[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(1): 184-191.

[16] LIU X Y, HUANG M L, WU C M L, et al. Effect of Y2O3 Particles on Microstructure Formation and Shear Properties of Sn-58Bi Solder[J]. Journal of Material Science: Material Electron, 2010, 21(10): 1046-1054.

[17] 杨淼森, 孔祥霞. 基于纳米压痕法的SnBi-xNi钎料的塑性比较[J]. 电子元件与材料, 2015(10):88-90.

[18] LIU Y, SUN F, ZHANG H, et al. Solderability, IMC Evolution,and Shear Behavior of Low-Ag Sn0.7Ag0. 5Cu-BiNi/Cu Solder Join[J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2012, 23(9): 1705-1710.

[19] LIU Y, SUN F, LI X. Effect of Ni, Bi Concentration on the Microstructure and Shear Behavior of Low-Ag SAC-Bi-Ni/Cu Solder Joints[J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2014, 25(6): 2627-2633.

[20] 刘洋, 张洪林, 夏鹏, 等. SAC/Cu 及 SAC-Bi-Ni/Cu 回流焊界面金属间化合物演变[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2015, 20(5): 65-68.