摘要
近年来，铋已成为焊料中的一种优势合金元素，主要用于两个方面。首先，铋被用于许多支持温度敏感性组件的低温焊料中；其次，在高可靠性焊料中少量添加铋被证明在增强焊点耐久性、优化润湿特性和最大限度减少空洞方面具有重要价值。
铋：特性以及与其他焊料金属的比较
铋（Bi）是一种脆性、结晶性和相对致密的金属，呈银粉色。它之所以与众不同，是因为当它与锡等其他金属结合时，由于共晶作用，其整体熔点会降低。铋的元素熔点为 271°C，而铋基合金的液化温度低于 200°C。
与其他用于焊接的金属相比，铋还具有毒性低的特点。它为铅提供了一种相对安全的替代品，由于环境和健康方面的原因，铅已在许多应用中逐渐被淘汰。
铋的另一个独特特征是凝固后容易膨胀，这是它与 H2O（水/冰）以及其他少数金属共有的特性。
与锡和银相比，铋的导电性和导热性较低，这可能会给某些应用带来挑战，尤其是那些散热或最佳导电性要求较高的应用。表 1 显示了铋与许多常见焊料合金元素在导电性、导热性、熔点和密度方面的比较。
| 要素 | 电导率（%IACS） | 导热系数（W/mK） | 熔点 °C | 密度 g/cm3 |
| 锑 | 4 | 26 | 630 | 6.69 |
| 铋 | 1.5 | 8 | 271 | 9.75 |
| 铜 | 100 | 401 | 1084 | 8.94 |
| 铟 | 20 | 84 | 157 | 7.31 |
| 领导 | 9.1 | 36 | 328 | 11.34 |
| 镍 | 25 | 94 | 1453 | 8.91 |
| 银色 | 109 | 428 | 961 | 10.49 |
| 锡 | 16 | 68 | 232 | 7.28 |
表 1. 常见焊料元素的物理性质比较。[1]
铋在无铅焊料发展中的地位
第一代无铅焊料合金避免使用铋是有道理的。当铋与铅接触时，会形成一种低熔点共晶相，这种共晶相会变脆，在应力作用下导致断裂或接头失效。这个问题对于仍可能受到传统工艺铅污染的电子产品尤为重要，因为即使是微量的铅也会引发这些不稳定化合物的形成。
然而，随着在印刷电路板组装中几乎完全消除了铅，后来的无铅焊料开始加入具有宝贵特性的铋。
低温焊料合金中的铋
锡铋（SnBi）合金广泛应用于加工温度要求低于传统无铅焊料（如 SAC305）的应用领域。锡铋合金的熔点低至 138°C，可减少焊接过程中的热暴露，因此非常适合精密电子产品、柔性基板以及长时间热暴露可能导致元件或基板损坏的应用。
除了保护敏感元件，在低温焊料中使用铋还具有经济和环境效益。低温焊接工艺能耗较低，可降低运营成本，减少生产对环境的影响。此外，最小的热影响也降低了印刷电路板和其他基材翘曲的可能性。
相关问题
尽管铋基低温焊料具有这些优点，但也存在一些挑战。铋的脆性会限制焊点的机械强度，使其在机械应力作用下更容易开裂。在可能经历快速温度波动或机械应力的应用中，焊点脆弱的风险是一个值得关注的问题，因为它可能导致焊点过早失效。
由于铋的热导率和电导率低于锡、铜和银，因此在需要高效散热或高电气性能的应用中也可能表现不佳。
高可靠性焊料合金中的小比例铋添加量
铋在焊料合金中的作用有点自相矛盾：当铋作为低温焊料的主要成分时，众所周知它会导致脆性，但当铋作为次要添加剂用于高可靠性焊料配方时，这些问题就不存在了。
[2]在这种低浓度下，铋不会产生与铋含量较高相关的脆性金属间化合物；相反，铋的作用是完善合金的微观结构，改善强度、热稳定性甚至抗疲劳性等性能。
图 1 显示了 SAC305 和两种含铋合金的晶粒结构对比：REL61 是一种用作 SAC305 替代品的低银合金，而 REL22 则是一种基于 SAC 的高可靠性合金。 首次铸造时，这三种合金的晶粒结构相似。但在 150°C 下老化 24 小时后，SAC305 显示出不稳定的微观结构，而两种含铋合金则保持不变。
当铋的浓度较低时，铋的低熔点特性也会发挥作用，稍微降低合金的整体熔化温度，从而减少焊接过程中对元件的热应力。
目前，含铋的 SAC 基合金在汽车、航空航天和工业电子等高可靠性应用中十分常见，在这些应用中，焊点的坚固性至关重要。在这些应用中，微量添加铋所带来的特殊优势可以提高焊点的完整性和一致性，这对于暴露在长期工作压力或苛刻环境条件下的元件至关重要。
对焊料特性的影响
强度和硬度
S少量的铋可以提高焊点的硬度，有助于增强抗机械变形和热循环的能力。铋与锡形成的金属间化合物有助于形成更精细的晶粒结构，从而提高合金的强度和硬度。SAC305 的 HV10 硬度为 14，而含铋合金 REL61 和 REL22 的硬度分别为 26 和 29。
润湿性和桶填充
铋能提高润湿性，使熔融焊料更有效地在金属表面扩散和粘合。[3] 这种流动性的提高使熔融合金更容易流入狭窄的空间，从而改善了通孔元件的桶状填充。图 2 显示了两种含铋合金的润湿角与 SAC305 和 SN100C 的比较。接触角越小表明润湿性越好。
关节的光滑度
在 SAC 合金中，额外的铋可使焊点更光滑，并具有哑光效果。这一特性提高了自动光学检测（AOI）的产量，因为更平滑、更一致的焊点更容易检测，而且不像 SAC305 那样容易引发错误的缺陷检测。图 3 显示了高端 AOI 设备拍摄的图像，说明 SAC305 与含铋 REL61 之间的明显区别。
减少排尿
在焊料中添加铋还能减少空洞的形成。 空洞的减少意味着结构完整性和电气可靠性的提高，降低了在热应力或机械应力作用下可能出现故障的薄弱点的可能性[4]。
减少锡须
锡须是合金中长出的锡，可能会在不同条件下出现，如接头应变或弯曲。这些锡须在电子产品中很成问题，因为它们可能导致短路。据观察，含铋合金似乎可以缓解这些晶须的生长。目前还不清楚这是为什么，但图 4.显示了锡须在 SAC305 和含铋 REL61 中生长的明显差异。
结论
铋在现代焊料技术中发挥着多方面的作用，既能满足低温加工需求，又能满足高可靠性要求。铋具有独特的物理和化学特性，因此非常适合需要减少热暴露和提高焊点可靠性的应用。
虽然铋作为脆性金属的名声可能会引起人们的担忧，尤其是在低温焊接应用中，但当在高可靠性焊料合金中少量使用时，这些缺点就会在很大程度上被消除，从而使铋的有益特性凸显出来。在痕量水平上，铋能增强合金的微观结构，有助于提高强度、稳定性和略低的熔点--所有这些都有可能提高连接可靠性。
参考资料
[1] 工程工具箱。(n.d.).工程工具箱。2024 年 11 月 19 日，从 https://www.engineeringtoolbox.com/ 获取。
[2] H. Elhosiny Ali、A.M. El-Taher、H. Algarni，《添加铋对低银/无铅锡银铜焊料物理和机械性能的影响》，《今日材料通讯》，第 39 卷，2024,109113，ISSN 2352-4928，https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109113。
[3] M.I.I. Ramli、M.A.A. Mohd Salleh、H. Yasuda、J. Chaiprapa、K. Nogita，《Bi 对用于高强度焊接的 Sn-0.7Cu-0.05Ni 合金的微观结构、电气、润湿性和机械性能的影响》，《材料与设计》，第 186 卷，2020 年，108281 期，ISSN 0264-1275，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108281。
[4] Preeth Sivakumar、Kathy O'Donnell、Junghyun Cho，铋和镍对锡银铜（SAC）基焊料微观结构演变的影响，《今日材料通讯》，第 26 卷，2021 年，101787，ISSN 2352-4928，https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101787。