Sn-Bi-Ag低溫錫膏的晶界強化機制是一個多因素協(xié)同作用的過程，以下從各機制的具體作用、研究案例及數(shù)據(jù)支持、協(xié)同效應(yīng)三個角度進行詳細闡述：

一、Ag3Sn金屬間化合物的晶界析出與釘扎（核心強化機制）

沉淀強化

在Sn-Bi熔體中，Ag與Sn反應(yīng)生成細小的Ag?Sn顆粒。這些顆粒傾向于在Sn晶粒的晶界處富集，因其是原子擴散的快速通道，也是第二相偏析的優(yōu)先位置。

釘扎效應(yīng)

彌散分布的硬質(zhì)Ag?Sn顆粒通過Zener釘扎作用，阻礙晶界遷移和晶粒長大。實驗表明，Ag?Sn顆粒能有效阻止位錯在晶界處的滑移和堆積，顯著增強晶界的“強度”或“穩(wěn)定性”。

數(shù)據(jù)支持

在Sn3.8Ag0.7Cu合金的研究中，微細顆粒狀A(yù)g?Sn分布在晶界上，阻礙晶界滑動，起到增強作用。類似地，在Sn-Bi-Ag合金中，Ag?Sn的釘扎效應(yīng)使焊點在120℃等溫時效2000小時后，界面IMC層仍保持薄且未開裂，抑制了柯肯達爾空洞的出現(xiàn)。

二、抑制Bi在晶界的偏聚與脆化（關(guān)鍵改善機制）

Bi偏聚的問題

在Sn-Bi共晶合金中，Sn原子與焊盤的Cu原子發(fā)生冶金反應(yīng)，生成金屬間化合物Cu6Sn5，Sn原子不斷消耗，析出的Bi原子易在晶界偏聚，形成連續(xù)脆性層，成為裂紋擴展路徑，導(dǎo)致合金脆性大。

Ag的作用機制

物理占據(jù)：Ag?Sn顆粒占據(jù)晶界位置，稀釋Bi濃度，減少連續(xù)脆性層形成。

動力學(xué)改變：Ag可能改變Bi的偏聚行為，如降低其平衡濃度或減緩偏聚速率。

案例與數(shù)據(jù)

深圳市福英達公司自己開發(fā)的低溫FL系列合金，通過添加微納米增強型顆粒Ag、Cu等元素，使Sn-Bi合金焊點IMC附近的富Bi現(xiàn)象得到改善，焊點韌性提升30%，斷裂伸長率超過12%。

三、晶粒細化（基礎(chǔ)強化機制）

異質(zhì)形核作用

Ag?Sn顆粒作為Sn晶粒結(jié)晶的非均勻形核點，增加形核率，細化晶粒尺寸。

Hall-Petch效應(yīng)

晶粒細化通過增加晶界面積，更有效地阻礙位錯運動。細晶組織還能均勻分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中。

實驗證據(jù)

在Sn-Bi-Ag合金中，Ag?Sn的細化作用使焊點在時效后仍保持細小晶粒，界面IMC層薄且穩(wěn)定。

四、固溶強化（次要貢獻）

Ag的固溶度

Ag在Sn中的固溶度有限，直接固溶強化作用微弱，可添加微量銻Sb元素，起到固溶強化的作用較為明顯。

間接影響

Ag?Sn的形成消耗部分Sn，可能略微改變基體成分，但主要強化作用仍來自Ag?Sn顆粒。

五、協(xié)同效應(yīng)與綜合性能提升

多機制協(xié)同

Ag?Sn釘扎：直接增強晶界抵抗變形能力。

抑制Bi偏聚：解決Sn-Bi合金晶界脆性問題。

晶粒細化：通過Hall-Petch效應(yīng)提供基礎(chǔ)強度，并增加有效晶界面積。

性能優(yōu)勢

強度與韌性：Sn-Bi-Ag合金抗拉強度達80MPa以上，延伸率16%-30%，顯著優(yōu)于Sn-Bi合金。

熱穩(wěn)定性：在120℃時效2000小時后，界面IMC層薄且未開裂，熱疲勞性能優(yōu)異。

工藝兼容性：低溫焊接（如150℃）減少熱損傷，適用于LED封裝、柔性電路板等場景。

六、結(jié)論

Ag的加入通過形成Ag?Sn并調(diào)控微觀組織，有效強化了Sn-Bi低溫焊料的晶界。這種多機制協(xié)同作用顯著提升了焊點的力學(xué)性能（強度、抗蠕變性）和可靠性（抗熱疲勞性），克服了Sn-Bi合金的固有缺陷。實際應(yīng)用中，Sn-Bi-Ag合金已成為新能源汽車電池極耳焊接、5G基站封裝等高要求場景的首選材料，展現(xiàn)了從“替代方案”到“主流選擇”的轉(zhuǎn)型潛力。

審核編輯 黃宇