综述：推进Sn-Bi合金在电子封装中的凝固：挑战、进展与未来方向

这篇综述深入探讨了Sn-Bi（锡-铋）合金作为低温焊料(LTS)在电子封装中的应用潜力，系统分析了其凝固行为、共晶特征及微观结构演化，并与传统Sn-Ag-Cu(SAC)合金进行对比。文章重点阐述了Sn-Bi合金的低熔点(138°C)、成本优势(Bi价格仅为Ag的1/50)和表面贴装技术(SMT)兼容性，同时指出其脆性相和铋偏析等挑战。作者提出通过微合金化(如添加Sb、In)改善延展性，结合X射线显微断层扫描(XMT)和纳米压痕等先进表征技术优化性能，为下一代电子封装材料开发提供重要参考。

　　

引言

随着2000年代初铅使用限制法规的实施，焊接行业经历了重大转型。Sn-Bi合金因其低熔点(138°C)和成本优势成为替代Sn-Pb的关键材料，尤其适用于热敏感基板如塑料和LED。与形成金属间化合物(IMCs)的Sn-Ag和Sn-Cu合金不同，Sn-Bi仅形成β-Sn和Bi相，简化了凝固行为。然而，Bi相的固有脆性和凝固过程中的偏析问题仍需解决。

研究范围

本文基于巴西圣卡洛斯联邦大学M2PS团队15年研究成果，系统评述Sn-Bi合金的凝固行为、微观结构演变及在低温焊接中的应用进展，涵盖二元和多元合金体系。

Sn-Bi焊料合金的演变

从古代青铜时代到现代电子封装，Sn-Bi合金发展经历了三个阶段：早期含Pb系统(2002-2007)、高温Bi-Sn变体(2014)和微合金化强化阶段(2016-2024)。最新专利US11999018B2(2024)展示了含Ag、Cu、Sb等元素的广谱Sn-Bi/In合金，液态温度<210°C。

二元Sn-Bi的凝固行为与共晶特征

方向性凝固实验显示，Sn-52wt.%Bi合金存在粗细两种共晶形态(1.3-3.1μm和0.8-1.8μm)，遵循Jackson-Hunt生长定律。力学性能与共晶间距密切相关：Sn-34Bi和Sn-52Bi合金随间距减小，屈服强度(σ_γ)和延伸率(δ)提升；而Sn-58Bi共晶合金因Bi颗粒三叶草形态导致性能下降。

多元Sn-Bi-X的凝固行为

添加0.1wt.%Cu的Sn-34Bi合金展现最佳强塑性平衡，断裂面呈现韧窝形貌。2wt.%Ag则形成Ag₃Sn金属间化合物，虽提高强度但牺牲延展性。Sn-Bi-Ga体系作为热界面材料(TIM)时，Ga抑制Cu-SnIMC层但恶化润湿性。

润湿性

接触角(θ)研究揭示Sn-34Bi-0.1Cu合金θ最小，润湿性最佳。添加10%In可使Sn-40Bi在铜基板上的θ从45°降至24%，显著改善铺展性，这与In降低表面张力的特性相关。

未来展望

四大发展方向值得关注：1)通过Sb微合金化抑制PCB翘曲；2)采用同步辐射XMT实时观察Bi偏析动态；3)纳米压痕技术定位测量Sn/Bi相力学性能；4)开发具有自修复功能的Sn-Bi-In共晶体系，其在适度加热下可通过局部熔化修复微裂纹。

这些进展将推动Sn-Bi合金在柔性电路、医疗设备和3D打印电子等新兴领域的应用，实现低至170°C的加工温度，比传统SAC305合金降低70°C以上。