1. 研究目的与意义（文献综述）

电子封装技术就是通过焊接技术安装集成电路内置芯片外用的管壳，集成电路芯片上的铆点通过焊接技术固定在封装管壳的引脚上，起着安放固定密封，保护集成电路内置芯片的作用，是为了增强电子元件的环境适应能力。因此焊接使用的钎料对最终的封装效果起着至关重要的作用。

传统焊锡多以sn、pb为主要成分，这种材料以其熔点低、焊接性能好、价格优惠而成为一种经典产品被使用至今^[1]。而含铅焊料中共晶或近共晶硅铅合金，在现代电子电路的装配中得到了广泛的应用。然而，pb的毒性引发的环境和健康问题以及这方面的立法限制了含铅焊料的使用，刺激了大量的研究和开发工作以发现替代含铅焊料的无铅焊锡合金来用于电子技术应用中^[2]。

当前公认的无铅焊料设计要求是：比熔点应低于或相当于sn-pb共晶合金的熔点；无毒无污染；成本不太高；具有与sn-pb焊料相当或更好的性能^[3]。sn-bi合金系被认为是唯一满足前3项要求的商品无铅焊料，只是其较低的熔点 (sn-bi共晶合金的熔点为138℃)使它难以在高温应用^[4]。但sn-pb在分级封装中的外层封装和靠近对温度敏感的材料钎焊中的低温钎料具有很大的优势。它可对由于焊接材料间热膨胀不匹配引起的损害起到降低作用，还可使一些不具备有高温性能的相对廉价的电路板和电子元件得到使用，从而降低产品的成本；此外，sn-bi钎料与sn-pb相比，有着良好的抗蠕变性能和拉伸强度。这些优点使得 sn-bi 系钎料在低温无铅钎料中占有相当明显的优势，是一种非常有潜力的无铅钎料^[5]。但由于bi本身的脆性，使得合金随着 bi 含量的增加而脆性增加，合金延展性因此随之减小，并且bi在合金中易结晶生成粗大不规则的富bi相进一步增加合金的脆性，而且在高温时效后其组织和金属间化合物粗化极其严重，因此界面层不稳定导致了钎焊接头的性能很差^[6]。一些研究者向sn-bi 钎料掺杂ag、cu、re等元素研究合金性能的变化，发现加入1wt%ag能够有效提高sn-58bi钎料的延展性，微量cu 的加入能有效阻 sn-bi 晶粒的长大、提高钎料的导电和导热性，而适量稀土元素的加入改善了钎料的润湿性、细化晶粒^[7]。这些方法往往能改善钎料一个或几个方面的性能，但也存在一些应用方面的问题。例如，ag的加入大大提高了钎料的成本，cu 的加入会提高合金熔点等^[8-9]。因此如何改善 sn-58bi 钎料的性能，使其能够在实际应用中有更广泛的应用前景受到越来越多的关注^[10-11]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

材料制备：以Sn-Bi共晶合金为研究对象，采用双辊快速凝固技术制备Sn-Bi共晶钎料薄带；

材料表征：研究快速凝固Sn-Bi共晶钎料薄带的组织与性能，采用XRD、OM、SEM、TG-DSC等测试技术对钎料薄带的物相、显微结构、熔化性能进行测试。

2.2 研究目标

1.了解钎料合金的熔炼、浇注技术，熟悉快速凝固装置；

2.掌握快速凝固Sn-Bi共晶钎料薄带的制备方法；

3.掌握快速凝固Sn-Bi共晶钎料薄带的组织结构与性能的表征方法。

2.3 技术方案

2.3.1实验原材料选用纯度为99.9%的Sn、Bi铸锭，按Sn-58Bi质量配比在管式真空炉中加热到180℃，随炉冷至室温取出，制备常态的Sn-58Bi合金铸锭。

2.3.2采用自主研发的双辊快速凝固装置，如图1所示。通过该设备一次成型制备出厚度为0.2mm钎料薄带。出于实际应用的考虑，钎料薄带还需冲裁加工制成形状各异的预成型焊片，但快速凝固态钎料薄带有较高的淬态脆性，无法直接冲裁加工，还需退火处理提高加工性能。在110℃、120℃和130℃下分别保温1h、2h和3h。

2.3.3钎料组织分析

(1) 金相显微组织观察

Sn-58Bi钎料镶嵌研磨、抛光、浸蚀后，通过ECLIPSE LV100POL光学显微镜对Sn-58Bi共晶合金进行组织观察，浸蚀剂选用4%的硝酸酒精溶液。

(2) 扫描电子显微分析

实验采用日本电子株式会社生产的JSM-IT300扫描电子显微镜（二次电子像分辨率为3.0nm，背散射电子像分辨率为4.0nm）对样品微观组织进行观察。

(3) 电子探针X射线显微分析

实验采用日本电子株式会社生产的JXA-8230电子探针X射线显微分析仪（加速电压为0~30Kev，束流密度为10^-5~10^-12A，波谱分析探测限为0.01~0.1wt. %，能谱分析探测限为0.1~0.5wt. %）对样品微观组织中各相元素组成和分布进行分析。

(4) X射线衍射分析

实验采用德国布鲁克AXS公司生产的D8 Advance X射线衍射仪（额定输出功率为3Kw，2θ转动范围为-10°~168°，测角仪半径≥200mm，角度重现性0.001°）对样品进行物相定性分析。

2.3.4钎料性能分析

(1) 熔化与凝固特性

实验采用美国PE公司生产的DSC8500示差扫描量热仪（测量温度范围为-180~750℃，量热精度为0.2%，温度精度为0.1℃）对样品熔化与凝固特性进行分析，加热和冷却速率均为10℃/min，整个测试过程通入N2保护。

(2) 韧性

实验采用Luborsky提出的平板压弯法对Sn-58Bi钎料薄带进行韧性测试。将薄带裁剪成长为5mm的薄片，把薄片夹在卡尺两测量角间，均匀加力使两测量角间距离缩短，直至薄带弯曲断裂，记录下薄带断裂时卡尺显示的数值。薄带的韧性大小由弯曲断裂应变值εf表征，其计算公式如下：

式中，t为钎料薄带厚度；D为试样断裂时卡尺两测量角间距。

(3) 润湿性

实验中将钎料薄带冲裁成长、宽、厚为5mm×5mm×0.2mm的焊片，放在Cu基板（15mm×15mm×0.5mm）上一起置于管式真空炉（SK2-5-12TPB4）中加热，抽真空至3~5×10^-4MPa后通入稀有气体保护，加热温度为180℃，加热速率为15℃/min，保温1分钟，然后用二次元（型号为VSM-1510F）拍摄钎料在Cu基板上的铺展平面，通过Image Pro Plus图像分析软件计算出钎料铺展面积，多次实验，计算平均值代表实验结果。

(4) 焊接强度

实验中将前面冲裁好的焊片放在两Cu基板（15mm×15mm×0.5mm）之间实现搭接。然后置于管式真空炉（SK2-5-12TPB4）中加热，抽真空至3~5×10^-4MPa后通入稀有气体保护，加热温度为180℃，加热速率为15℃/min，保温1分钟。将得到采用试样MTS陶瓷试验系统进行拉伸实验，拉伸速率为1mm/min，测试焊点剪切强度，多次实验，计算平均值代表实验结果。

(5) 显微硬度

实验中采用上海泰明光学仪器厂生产的MH-6型维氏显微硬度计进行测试，显微硬度值可以由下面公式来计算：

式中，Hv为显微硬度；F为载荷力；θ为压头的顶角；d为压痕两对角线d₁和d₂的算术平均值。测试中加载载荷为50g，加载速度为50mms^-1，保载时间为10s，多次实验，计算平均值代表实验结果。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4-6周：按照设计方案，制备sn-bi共晶钎料薄带。

第7-11周：采用xrd、om、sem、tg-dsc等测试技术对钎料薄带的物相、显微结构、熔化性能进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] suganuma k. advance in lead-free electronics soldering [j]. current opinion in solid state and materials science, 2001, 5(1): 55-64.

[2] 邱希亮，郝成丽，修子扬. 石墨烯纳米片对sn-58bi钎料显微组织和性能的影响 [j]. 焊接学报，2017，38(4): 63-66.

[3] 李群，黄继华，张华，赵兴科，齐丽华. a1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.