综述：Bi、Ni和Sb对Sn-Ag-Cu焊料合金综合性能提升的作用：综述

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Effect of Bi, Ni and Sb for comprehensive improvement on Sn-Ag-Cu solder alloys: A review

SAC无铅焊料因环境友好成为主流，但存在熔点高、界面化合物粗化、热机械疲劳不足、电迁移和腐蚀敏感等问题。Bi、Ni、Sb的添加可通过固溶强化、细化晶粒、调控界面反应等机制优化性能。研究系统综述了这些元素对微观结构演化、力学性能、润湿性、电热特性、熔点行为及可靠性提升的作用，并明确了其最佳掺杂浓度窗口。

　　

李泽正|王凤江

江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江市，212003，中国

摘要

随着具有环境危害性的Sn-Pb焊料逐渐被淘汰，基于Sn-Ag-Cu (SAC)的无铅焊料已成为电子封装领域的主流替代品。然而，SAC焊料仍存在一些固有的局限性，包括相对较高的熔点、界面金属间化合物（IMCs）容易过度粗化、热机械疲劳可靠性不足以及易发生电迁移和腐蚀等问题，这些限制了其在高密度、高功率电子封装中的应用。近年来，通过添加铋（Bi）、镍（Ni）和锑（Sb）等元素来细化微观结构并优化性能已成为提高SAC基焊料综合性能的关键研究方向。本文系统地综述了Bi、Ni和Sb在SAC基无铅焊料中的作用机制，以及它们对微观结构演变、界面反应行为、机械性能、润湿性、电学和热学特性、熔化行为、抗电迁移能力和耐腐蚀性能的影响。现有研究表明，适当添加这些元素可以通过不同的合金化机制有效细化微观结构、调控IMC的形成与生长，并提高焊点的整体可靠性。总体而言，Bi、Ni和Sb在SAC基焊料中都存在最佳添加范围；适量的微量元素添加可以通过多种合金化途径有效提升焊料的强度、延展性和长期服役可靠性，而过量添加则可能导致微观结构不稳定和界面劣化。本综述强调了Bi、Ni和Sb作为无铅焊料关键合金元素的应用潜力，它们的可控掺杂能够有效优化焊料系统的热学、电学和机械性能，为它们在下一代电子和电气领域的广泛应用提供了坚实的理论基础。

引言

在电子封装中，Sn-Pb焊料因其优异的综合性能而被广泛使用。这类焊料具有较低的熔点（例如，共晶Sn-40Pb焊料的熔点约为183°C），有利于焊接过程中的快速熔化并形成可靠的焊点。它们还具有良好的润湿性和可焊性，以及适中的成本，从而确保了焊点的质量和可靠性。然而，随着全球对环境保护和人类健康问题的关注日益增加，Sn-Pb焊料中的铅所带来的潜在危害促使各国制定了严格的法规。这些环境法规的收紧进一步加速了向无铅焊接技术的转变。这一转变不仅是应对环境政策的必要措施，也是确保电子产品制造和用户安全的关键步骤[[1], [2], [3], [4]]。在此背景下，基于SAC的无铅焊料作为传统Sn-Pb焊料的主要替代品应运而生，这得益于其良好的机械性能、可靠的界面结合性能和环境适应性，使其在消费电子、汽车电子等领域得到广泛应用。然而，SAC基无铅焊料仍存在一些固有的局限性，如熔点较高、润湿性较差，Ag₃Sn相和界面IMCs容易粗化，导致微观结构和界面稳定性不足。此外，热机械疲劳性能与抗冲击性能之间存在固有的权衡，电迁移问题也限制了其服役可靠性。近年来，已经开发出多种高可靠性SAC焊料合金（详见表1）。为进一步提高本综述的工程实用性，表2总结了不同市场领域中添加定制掺杂剂的SAC基无铅焊料的典型应用场景。由于消费电子、汽车电子、工业电子和数据中心/服务器相关电子产品的服役条件和可靠性要求差异较大，因此合金设计策略和掺杂剂选择标准也各不相同。通常，合适的合金化元素可以有效改善焊料的机械性能并抑制有害的微观结构演变，从而提高其长期服役可靠性。在各种合金化元素中，Bi、Ni和Sb因其能够显著提升焊料性能（包括可靠性、机械性能和微观结构稳定性）而成为主流选择[[11,12]]。

具体而言，Bi、Ni和Sb的添加会对SAC合金的焊点性能产生多方面的影响。其中，Bi通过固溶强化和降低过冷度来细化β-Sn基体，从而显著提高焊料的抗蠕变能力；Sb通过固溶强化增强焊料基体强度，并在热处理过程中延缓微观结构粗化，保持结构稳定性；即使是少量的Ni添加也能通过促进(Cu,Ni)₆Sn₅相的形成来调控界面IMCs的形态和稳定性，有效抑制IMC的过度生长并提高焊点的界面可靠性[[13], [14], [15], [16]]。尽管已有大量研究探讨了Bi、Ni和Sb的单独作用，但目前尚缺乏对其在SAC基焊料系统中对微观结构演变、机械性能和长期服役可靠性影响的系统性和全面理解，这成为当前研究的一个空白。

为填补这一研究空白，本文旨在全面总结Bi、Sb和Ni添加对SAC基无铅焊料微观结构、界面反应行为、机械性能和服役可靠性的影响。通过结合工业合金设计趋势和学术研究成果，本文阐明了这三种元素的各自作用，旨在为下一代高可靠性焊料材料的设计、开发和应用提供清晰的理论框架和实用参考。

部分内容摘录

微观结构

材料的微观结构是其机械、热学和电学性能的关键决定因素，直接影响其在电子设备中的应用可靠性。当前的研究主要集中在晶粒细化、金属间化合物相的形成机制以及微观结构的演变行为上，旨在通过这些方面实现整体性能和使用寿命的协同提升

机械性能

焊点的强度、延展性和抗蠕变能力是评价电子元件接头耐用性和服役功能性的核心指标。这些性能不仅直接决定了焊点在复杂服役条件下的承载能力，还在通过合金设计和工艺优化来增强接头性能的研究中起着关键指导作用

润湿性

润湿性是评估焊接过程中焊料扩散能力及界面结合质量的核心指标。它直接决定了焊点形成的质量、界面反应过程以及互连结构的长期服役可靠性。它是连接焊料微观结构与其宏观服役性能的关键桥梁

电学和热学性能

电学和热学性能是电子封装中SAC基焊料的重要物理化学指标。特别是在高功率密度、高电流密度和复杂热管理条件下，焊点不仅是关键的机械连接件，还是电流传输和热量散发的关键通道。它们的性能直接决定了电子产品的运行效率和长期稳定性

熔点

焊料系统的熔化行为对电子封装中的界面反应和微观结构演变起着关键作用。优化熔化行为以提高润湿性和扩散动力学，同时增强焊点的结构完整性，是确保电子设备长期服役性能的关键技术途径

电迁移

电迁移是电子封装焊料在长期电流承载过程中的主要失效机制之一。其本质是在电子流的影响下金属原子的定向扩散和迁移，这一过程会导致结构劣化、性能下降，甚至焊点功能失效，从而严重限制电子设备的长期服役可靠性

腐蚀

腐蚀性能是决定SAC基焊料和电子封装系统长期服役可靠性的关键指标。湿度、盐雾和腐蚀性气体等恶劣环境介质引起的腐蚀会限制封装设备的稳定运行

结论

随着电子制造、汽车工程、航空航天和国防等关键行业的持续技术进步，对高性能焊料合金的需求持续增长。同时，对焊料的机械强度、热稳定性和电学可靠性的要求也越来越严格，要求它们不仅适应常规服役环境，还要适应极端工作条件

作者贡献声明

李泽正：撰写——原始草稿、方法论、研究实施、数据分析、概念构建。王凤江：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51875269）和江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号SJCX25_2568和KYCX25_4348）的资助。