Sn58Bi、Sn37Pb、Sn0.7Cu和Sn3Ag0.5Cu焊料合金的耐腐蚀性及电化学迁移行为的比较研究

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Comparative study of the corrosion resistance and electrochemical migration behavior of Sn58Bi, Sn37Pb, Sn0.7Cu, and Sn3Ag0.5Cu solder alloys

锡58铋合金在3.5wt% NaCl溶液中腐蚀电流密度较高，腐蚀产物松散多孔无法有效阻隔Cl?渗透，导致其腐蚀速率显著高于其他焊料。电化学迁移实验表明，Sn相选择性溶解产生大量Sn2+离子，Bi的氢析出过电位升高促进离子沉积，枝晶尖端电场增强加速短路，其短路时间仅23秒，ECM抗性最差。

　　在当今快速发展的科技时代，随着电子设备的广泛应用和功能的持续创新，电子连接材料的长期服务可靠性成为了一个关键性挑战。特别是对于那些在高湿度和高盐分环境下工作的电子产品，例如海洋环境中的设备，它们面临着更为严峻的腐蚀和电化学迁移（ECM）问题。这些环境因素不仅会导致材料表面的氧化和腐蚀，还可能引发内部结构的劣化，从而影响电子产品的正常运行和使用寿命。因此，研究电子连接材料在这些恶劣环境下的性能表现，对于提升其可靠性和延长设备寿命具有重要意义。

Sn58Bi是一种具有广泛应用前景的无铅焊料合金，因其较低的熔点（138?°C）而受到关注。相较于传统的Sn37Pb合金，Sn58Bi的熔点更低，使得在较低温度下进行焊接成为可能，从而减少了对热敏感组件的热损伤风险。此外，Sn58Bi合金在机械性能上与Sn37Pb相近，具有良好的适应性，因此被广泛应用于低温焊接和设备组装领域，如多层印刷电路板（PCB）焊接、二次低温回流焊接以及柔性电路板等。然而，尽管Sn58Bi在某些方面表现出色，其在高湿度和高盐分环境下的耐腐蚀性能仍存在不足，这成为制约其进一步应用的关键问题。

为了更全面地评估Sn58Bi合金在这些环境下的表现，本研究通过电化学测试和水滴测试（WDT）方法，系统地分析了Sn58Bi与其他常见焊料合金（如Sn37Pb、Sn0.7Cu和Sn3Ag0.5Cu）的耐腐蚀性能和电化学迁移行为。实验结果表明，在3.5?wt% NaCl溶液中，Sn58Bi合金的腐蚀电流密度明显高于其他合金，且其钝化范围较窄，导致腐蚀速率加快。在腐蚀过程中，Sn58Bi合金表面形成了松散且多孔的鳞片状腐蚀产物，这些产物无法有效阻挡Cl?离子的渗透，从而加剧了腐蚀过程。

在电化学迁移过程中，Sn58Bi合金中的Sn相由于电化学耦合效应而迅速溶解，生成大量的Sn2?离子。同时，由于Bi的氢析出过电位较高，阴极区域会形成少量的气泡，这为Sn2?离子的沉积提供了丰富的活性位点。这些因素共同作用，促进了枝晶的形成和生长。随着枝晶的不断延伸，阴极与阳极之间的距离逐渐减小，导致电场强度在枝晶尖端显著增加，从而加速了金属离子的沉积和向阳极的扩展，最终导致电极间短路失效。相比之下，Sn37Pb、Sn0.7Cu和Sn3Ag0.5Cu合金在相同的测试条件下表现出更高的耐腐蚀性和抗电化学迁移能力，其短路失效时间显著长于Sn58Bi合金。

值得注意的是，目前关于Sn58Bi合金的耐腐蚀性能的研究仍较为有限。因此，有必要在模拟海水中进行系统的腐蚀测试，并将其与其他常用焊料合金进行对比，以明确不同合金成分和微观结构对失效行为的影响机制。本研究通过多种技术手段，包括极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）和电化学迁移测试，深入分析了Sn58Bi合金的腐蚀机制。同时，利用扫描电子显微镜（SEM）对表面腐蚀产物和枝晶的形貌进行了表征，为理解Sn58Bi合金在恶劣环境下的行为提供了直观的证据。

实验结果显示，Sn58Bi合金在3.5?wt% NaCl溶液中的腐蚀行为与其他合金存在显著差异。其较高的腐蚀电流密度和较窄的钝化范围表明其在腐蚀过程中更容易发生反应，且反应速率更快。此外，Sn58Bi合金的微观结构特征，如Sn和Bi之间的标准电极电位差，使得Sn相更容易发生选择性溶解，从而加速了腐蚀过程。相比之下，Sn37Pb合金在相同的测试条件下表现出更稳定的腐蚀行为，其钝化范围更宽，腐蚀电流密度较低，因此在腐蚀过程中更为耐久。

在电化学迁移方面，Sn58Bi合金表现出较差的抗迁移能力。实验中，Sn58Bi合金的短路失效时间仅为23?s，远低于其他合金。这表明，Sn58Bi合金在电化学迁移过程中更容易形成枝晶，并且枝晶的生长速度更快。枝晶的快速生长不仅会增加电场强度，还可能引发短路，从而影响电子产品的正常运行。相比之下，Sn37Pb、Sn0.7Cu和Sn3Ag0.5Cu合金在相同的测试条件下表现出更长的短路失效时间，表明其在电化学迁移方面的表现更为优异。

Sn58Bi合金的腐蚀行为与其微观结构密切相关。实验发现，Sn58Bi合金在腐蚀过程中形成的腐蚀产物较为松散，且具有较大的孔隙率，这使得Cl?离子能够更容易渗透到材料内部，从而加速了腐蚀反应。此外，Sn58Bi合金的Sn相在电化学迁移过程中更容易发生溶解，生成大量的Sn2?离子，这些离子在电场的作用下迅速迁移至阴极区域，并在阴极处发生还原反应，形成枝晶结构。而Sn37Pb合金由于其较高的钝化能力，能够有效阻挡Cl?离子的渗透，从而延缓了腐蚀反应的发生。

Sn0.7Cu和Sn3Ag0.5Cu合金在电化学迁移方面的表现也优于Sn58Bi合金。Sn0.7Cu合金在腐蚀过程中形成的腐蚀产物较为致密，能够有效阻隔Cl?离子的渗透，从而降低了腐蚀速率。同时，Sn0.7Cu合金的Sn相在电化学迁移过程中表现出较好的稳定性，其溶解速率较低，生成的Sn2?离子数量较少，因此在电化学迁移过程中不易形成大量的枝晶结构。相比之下，Sn3Ag0.5Cu合金由于其含有Ag和Cu元素，能够有效抑制Sn相的溶解，从而进一步提升了其抗电化学迁移能力。

在模拟海水环境中，Sn58Bi合金的腐蚀行为与实际应用环境密切相关。实验表明，Sn58Bi合金在3.5?wt% NaCl溶液中的腐蚀速率明显高于其他合金，这表明其在海洋环境中的耐腐蚀性能较差。此外，Sn58Bi合金在电化学迁移过程中表现出较差的抗迁移能力，其短路失效时间较短，这进一步表明其在海洋环境中的应用风险较高。因此，有必要对Sn58Bi合金的腐蚀行为进行更深入的研究，以明确其在不同环境下的表现，并为其在实际应用中的改进提供理论依据。

此外，Sn58Bi合金的腐蚀行为还受到其他因素的影响，如温度、湿度以及材料表面的处理方式。实验中，Sn58Bi合金在25?°C和3.5?wt% NaCl溶液中的腐蚀行为较为显著，而在不同的温度和湿度条件下，其表现可能有所不同。因此，有必要在更广泛的环境条件下进行研究，以全面评估Sn58Bi合金的耐腐蚀性能和抗电化学迁移能力。

综上所述，Sn58Bi合金在高湿度和高盐分环境下的耐腐蚀性能和抗电化学迁移能力较差，这成为制约其进一步应用的关键问题。通过本研究的系统分析，不仅揭示了Sn58Bi合金在这些环境下的腐蚀机制，还为其在实际应用中的改进提供了理论依据。未来的研究可以进一步探讨如何通过调整合金成分和微观结构来提升Sn58Bi合金的耐腐蚀性能和抗电化学迁移能力，从而扩大其在电子连接材料领域的应用范围。