華 麗，郭興蓬，楊家寬

(1. 華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074；2. 華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；3. 湖北第二師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430205)

Bi摻雜對(duì)Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料電化學(xué)腐蝕性能及枝晶生長(zhǎng)的影響

華 麗1,2,3，郭興蓬1，楊家寬2

(1. 華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074；2. 華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；3. 湖北第二師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430205)

采用動(dòng)電位掃描和交流阻抗等方法研究Bi摻雜對(duì)Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料在3.5% NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中電化學(xué)腐蝕性能及枝晶生長(zhǎng)的影響；采用SEM和XRD技術(shù)分析其腐蝕形貌及成分。結(jié)果顯示：隨著B(niǎo)i含量增加，腐蝕電流密度增大，但自腐蝕電位不呈規(guī)律性變化。阻抗譜顯示：摻雜前后阻抗譜特征相同，均可用兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的等效電路模型表示，其擬合誤差＜5%。隨著B(niǎo)i含量的增加，容抗弧半徑減小，電荷傳遞電阻和腐蝕產(chǎn)物膜電阻均減小，耐蝕性能降低。SEM 像顯示，Bi摻雜對(duì)釬料在介質(zhì)中電化學(xué)遷移速度有減緩作用，因而對(duì)遷移所致的枝晶生長(zhǎng)具有抑制作用。XRD譜顯示，枝晶主要成分為Sn和Cu6Sn5，同時(shí)伴有少量的Bi和Ag3Sn。

Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料；Bi摻雜；腐蝕行為；枝晶生長(zhǎng)；抑制作用

隨著全球無(wú)鉛化要求，微電子封裝使用無(wú)鉛釬料替代Sn-37Pb已成必然趨勢(shì)。目前，常見(jiàn)無(wú)鉛釬料為Sn-Cu、Sn-Zn、Sn-Ag-Cu和 Sn-Ag等體系。其中，Sn-Ag-Cu系釬料應(yīng)用最為廣泛，其較優(yōu)的焊接性能、較好的機(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但這種焊料在回流和老化實(shí)驗(yàn)中極易形成金屬間化合物(IMC)，隨著回流時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的升高，IMC呈現(xiàn)極性增厚[1-3]。IMC較脆、易斷裂，使封裝中出現(xiàn)服役失效，甚至導(dǎo)致工程事故。為了改善釬料性能，一些研究者提出在上述釬料基體中添加稀有金屬如Bi、Sb、In、Ga、Ce和 Ge等[4-6]以克服上述缺點(diǎn)，同時(shí)降低合金的熔點(diǎn)，增加焊料與基板的潤(rùn)濕性，提高可焊性。LI和SHI[7]的研究表明：添加Bi可以使Sn-3.0Ag-0.5Cu IMC的顆粒尺寸更加細(xì)小，抑制IMC生成，從而提高其機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫老化和耐應(yīng)力蠕變等性能。但Bi摻雜后，釬料的其他性能如耐濕熱環(huán)境中腐蝕及液膜存在下抗電化學(xué)遷移是否有效，鮮見(jiàn)報(bào)道。本文作者采用動(dòng)電位掃描和交流阻抗等電化學(xué)方法并結(jié)合SEM和XRD等分析手段對(duì)Bi摻雜前后無(wú)鉛釬料的腐蝕及電化學(xué)遷移行為的影響進(jìn)行探討，以期為新型無(wú)鉛焊料開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

儀器：TCW-32A型智能化精密溫度控制儀(武漢華中電爐設(shè)備有限公司制造)、CorrTestTMCS電化學(xué)工作站(武漢科思特儀器有限公司制造)、TG328A分析天平(上海上天精密儀器有限公司制造)、ESEM 環(huán)境掃描電鏡(Quanta 200, FEI公司制造)和X射線衍射儀(X'Pert PRO XRD，荷蘭帕納科公司制造)。

藥品：丙酮、乙醇、E-44環(huán)氧樹(shù)脂、鄰苯二甲酸二甲酯、乙二胺、氯化鈉均為分析純。Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏(日本千住公司制造)、高純Bi金屬(≥99.99%，北京蒙泰有研技術(shù)開(kāi)發(fā)中心生產(chǎn))。

1.2 合金制備

采用直徑為1 cm、高為1.5 cm鐵錠作為模板，以Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料為基體，向其中添加不同含量的Bi金屬，在電爐中于300 ℃下熔煉4 h。為了防止焊料合金氧化，在熔化過(guò)程中添加甘油保護(hù)，即先將甘油加入鐵錠底部，再加焊料，等焊料全部加好后，再在上面鋪一層甘油。熔融過(guò)程中通高純 N2保護(hù)并隔30 min攪拌1次，熔融后合金直接倒入小鐵錠中，在室溫下冷卻。將準(zhǔn)備好的試樣采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝，分別用200#、400#和800#SiC砂紙打磨工作電極直至露出光滑表面，然后用丙酮和乙醇清洗表面?zhèn)溆谩?/p>

1.3 枝晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)

圖1所示為枝晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖。將熔煉好的兩對(duì)相同Bi含量的圓柱狀工作電極用環(huán)氧樹(shù)脂密封，一端用砂紙打磨出光滑表面，另一端引出導(dǎo)線連接直流電源，外加電場(chǎng)為5 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣進(jìn)行ESEM及XRD分析。

圖1 枝晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of dendrite growth experiment

1.4 腐蝕實(shí)驗(yàn)

采用CS350電化學(xué)工作站分別測(cè)量Bi摻雜前后Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料在3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位掃描曲線。Bi添加量對(duì)應(yīng)為試樣1：2%；試樣2：5%；試樣3：10%。實(shí)驗(yàn)前，3.5% NaCl溶液通N2除氧1 h(N2流量為1 mL/s)。實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，并用飽和 KCl溶液作鹽橋。輔助電極為 Pt片電極，工作電極與輔助電極間距為35～40 mm。電位掃描范圍為-200～800 mV(vs SCE)，掃描速率為 0.5 mV/s，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫(25±2) ℃，ESEM分析腐蝕形貌。交流阻抗選取的激勵(lì)信號(hào)幅值為±5 mV，測(cè)試頻率范圍為100 mHz～10 kHz，從高頻向低頻掃描，且用CorrZviewVers.2.7軟件對(duì)阻抗譜進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)電位極化

KEUN等[8]報(bào)道，Bi添加會(huì)使Sn-Zn釬料在濕熱環(huán)境下的抗氧化性能降低，Bi是否導(dǎo)致Sn-Ag-Cu釬料合金耐蝕性能降低是其研究重點(diǎn)。圖 2所示為Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu+xBi (x=2%，5%，10%；分別標(biāo)記為試樣 1，2，3)在 3.5%NaCl溶液中的極化曲線，對(duì)其陰極極化曲線進(jìn)行 Tafel擬合的結(jié)果列于表1。從表1可知，Bi摻雜自腐蝕電位變化無(wú)規(guī)律性，但腐蝕電流密度(Icorr)隨著 Bi含量增加而增大；Bi加入后釬料較之未摻雜時(shí)更易被腐蝕。一般地，在微電子封裝中所用的焊料，Bi的添加量不宜大于10%[9]，Bi加入量增大，釬料硬而脆，加工性能降低，合金延展性和耐沖擊性變差[10]；但Bi的添加量也不宜過(guò)低，過(guò)低起不到降低熔點(diǎn)的作用。因此，Bi的適宜添加量為 2%～3%[11-12]。極化后試樣在 3.5%NaCl溶液中浸泡10 d后的腐蝕形貌如圖3所示。兩者有較大差異，摻雜后腐蝕形貌更加細(xì)致均勻，但組織疏松，易于脫落，這可能是 Bi添加細(xì)化了基體合金組織所致。

圖2 3.5%NaCl溶液中不同含量Bi摻雜Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料的極化曲線Fig.2 Polarization curves of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder doped with different Bi contents in 3.5% NaCl solution

表1 Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi釬料動(dòng)電位極化曲線的擬合參數(shù)Table1 Fitting parameters of potentiodynamic polarization curves of Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi solder

圖3 Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料在3.5% NaCl溶液中浸泡10 d后的腐蝕SEM像Fig.3 Corrosion SEM images of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder dipping in 3.5% NaCl solution for 10 d: (a) Without Bi doping;(b) Bi doping in 2%

到目前為止，沒(méi)有Sn-Ag-Cu-Bi四元合金相位圖可供查閱，OHNUMA等[13]和YE等[14]將此四元合金分成4個(gè)三元共晶體系，分析其合金相并將結(jié)果連成一體，即為Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi四元共晶體系，認(rèn)為Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi的微觀組織為β-Sn+Sn-Ag-Cu三元共晶組織+金屬間 IMC化合物(Ag3Sn、Cu6Sn5和Cu3Sn)和富Bi相，這一結(jié)果在文獻(xiàn)[7]中得到證實(shí)。攀志罡[15]和李曉燕等[16]指出：濕熱環(huán)境下腐蝕是以共晶組織和富Sn相為陽(yáng)極、IMC為陰極的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。由于IMC的抗腐蝕能力很強(qiáng)，因此，共晶組織的腐蝕以純 Sn為主。在焊料在回流過(guò)程中，由于溫度推動(dòng)力致使Sn原子沿著IMC與共晶組織的邊界擴(kuò)散而沉積在IMC上(Sn偏析)。與本體相比，Sn的腐蝕更易在偏析相發(fā)生，而MULUGETA和GUNA[17]指出：Bi的添加使 IMC晶粒更細(xì)、晶界周長(zhǎng)增加、單位長(zhǎng)度上沉積的Sn粒更多。雖然添加少量Bi (＜3%)會(huì)在一定程度上抑制Sn向晶界邊界偏析，但與前者相比，這種影響甚微。因此，相對(duì)而言，Bi添加使形成的Sn粒更多、更小，圖4也說(shuō)明了這一點(diǎn)。圖4(a)所示為未加入Bi時(shí)SAC釬料在300 ℃下熔煉4 h冷卻后的SEM像，而圖4(b)～(d)所示分別為加入2%Bi、5%Bi和10%Bi后SAC釬料在相同條件下熔煉及冷卻后的SEM 像。這些 SEM 像中只可見(jiàn)粒度較大的 IMC(Cu6Sn5)和共晶結(jié)構(gòu)(以 Sn為主)，其他結(jié)構(gòu)大部分被表IMC覆蓋，很難清楚識(shí)別。從圖4中可以看出，隨著B(niǎo)i含量增加，形成的IMC和共晶組織變細(xì)，粒度變小，而 Sn為腐蝕活性點(diǎn)，單位面積上顆粒越多，腐蝕電流密度越高，腐蝕速率越快，焊料合金的耐腐蝕性能越差。因此，隨著B(niǎo)i含量增加，釬料體系的耐蝕性能下降。

2.2 交流阻抗

對(duì)不同含量Bi摻雜試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與未摻雜樣品對(duì)比，其電化學(xué)阻抗譜Nyquist和Bode圖分別如圖5和6所示。采用Mansfeld等效電路(見(jiàn)圖7)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)列于表2。其中：R1代表溶液電阻；常相位角元件1PEC 和2PEC 分別代表電極雙電層電容和腐蝕產(chǎn)物膜電容；R2電荷傳遞電阻；R3和L1分別為與腐蝕產(chǎn)物膜溶解過(guò)程相關(guān)的電阻和電感。從Nyquist和 Bode圖可以看出，擬合曲線和真實(shí)曲線非常逼近，在高頻端(100 Hz～10 kHz)出現(xiàn)了比較規(guī)則、壓扁的半圓容抗弧，且隨著B(niǎo)i含量增加，容抗弧半徑減小，電極阻抗減小，耐蝕性能降低；未摻雜Bi和3種不同含量Bi摻雜后，阻抗譜特征相似，均可用兩個(gè)時(shí)間常數(shù)表示。高頻部分(100 Hz～10 kHz)和低頻部分(100 mHz～100 Hz)。高頻容抗弧反映工作電極表面和溶液雙電層電容之間的弛豫過(guò)程；低頻部分容抗弧都并非嚴(yán)格的半圓而是略有偏離，這可能是工作電極和溶液界面存在的彌散效應(yīng)所致。產(chǎn)生這種效應(yīng)的原因可能是在試驗(yàn)開(kāi)始階段，Cl-優(yōu)先在工作電極表面發(fā)生吸附，然后隨著 Sn的溶解，這種吸附過(guò)程與電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程疊加，最后使低頻部分容抗弧略有偏離。由表2中擬合數(shù)據(jù)可知，隨著B(niǎo)i含量增加，雙電層電容和腐蝕產(chǎn)物膜電容 ( CPE1, CPE2)均變大，而電荷傳遞電阻(R2)和腐蝕產(chǎn)物膜相關(guān)的電阻(R3)均變小，進(jìn)一步說(shuō)明耐蝕性能隨著B(niǎo)i含量增大而降低。所有擬合結(jié)果的相對(duì)誤差小于5%，表明采用這種Mansfeld等效電路模型能夠較好地描述摻雜前后焊料體系在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)腐蝕行為。

圖4 不同含量Bi摻雜Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料合金相的SEM像Fig.4 SEM images of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder alloy with different Bi doping: (a) Without Bi doping; (b) 2% Bi doping; (c) 5% Bi doping; (d) 10% Bi doping

圖5 樣品1、2、3和未摻雜后試樣在3.5% NaCl溶液中的Nyquist圖Fig. 5 Nyquist figures of samples 1, 2, 3 and undoped sample in 3.5% NaCl solution: (a) Original figure; (b) Magnified figure

圖6 試樣1、2、3和未摻雜試樣在3.5% NaCl溶液中的Bode圖Fig. 6 Bode figures of undoped and doped samples 1, 2 and 3 in 3.5% NaCl solution: (a) Without Bi doping; (b) Sample 1;(c) Sample 2; (d) Sample 3

表2 不同Bi摻雜量Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料的交流阻抗擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of AC impedance of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder doped with different Bi contents

圖7 不同Bi摻雜形成的Sn-3.0Ag-0.5Cu+xBi釬料的阻抗等效電路Fig. 7 Impedance equivalent circuit of Sn-3.0Ag-0.5Cu+xBi solder doped with different Bi contents

2.3 Bi添加對(duì)枝晶生長(zhǎng)的抑制作用

電化學(xué)遷移是指在電場(chǎng)作用下，金屬離子溶解后發(fā)生定向移動(dòng)過(guò)程，此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)。與內(nèi)應(yīng)力不均所致的晶須生長(zhǎng)不同，枝晶生長(zhǎng)是在介質(zhì)存在條件下發(fā)生金屬離子陽(yáng)極溶解、陰極電化學(xué)沉積所致。電子電氣產(chǎn)品在使用過(guò)程中，由于水汽凝聚而在其表面形成一層液膜，當(dāng)空氣污染物如硫的氧化物、氧氮化物、硫化氫、烴類(lèi)及其衍生物等溶解其中時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電介質(zhì)，在電場(chǎng)作用下，釬料中金屬離子會(huì)發(fā)生溶解和定向移動(dòng)并在陰極沉積，當(dāng)沉積出的枝晶達(dá)到一定長(zhǎng)度后，會(huì)使PCB板相鄰布線之間互相連接，形成短路，這也是影響電子產(chǎn)品可靠性重要因素之一，尤其是當(dāng)電子封裝技術(shù)朝著微/納超細(xì)間距、高集成度方向發(fā)展，減緩、抑制或阻止枝晶生長(zhǎng)也是該領(lǐng)域中急需解決問(wèn)題之一。Bi能降低無(wú)鉛焊料合金的熔點(diǎn)[18]，但含Bi釬料性能是否可與63Sn-37Pb的相比，除機(jī)械強(qiáng)度和潤(rùn)濕性外，電化學(xué)遷移也值得深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在濕熱環(huán)境中加載電場(chǎng)，Bi釬料同樣會(huì)出現(xiàn)富Sn相枝晶生長(zhǎng)。圖8(a)所示為98(Sn-3.0Ag-0.5Cu)+2Bi釬料電化學(xué)遷移后長(zhǎng)出的枝晶的SEM像。肉眼觀察為灰白色鱗片狀物，每個(gè)鱗片均由有規(guī)則形狀的晶粒組成(見(jiàn)圖8(b))，類(lèi)似于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)。枝晶生長(zhǎng)80 h后(0.5 cm間距)，兩電極間電流急劇上升，出現(xiàn)了橋連短路。在相同條件下對(duì)未摻雜Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料進(jìn)行枝晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖9(a)所示，晶粒結(jié)構(gòu)呈扇貝狀(見(jiàn)圖9(b))，肉眼觀察陰極表面有白色刺狀物，同樣間距下的橋連時(shí)間為10 h，在相同條件下較摻雜2%Bi時(shí)所需的時(shí)間(80 h)要少得多，說(shuō)明Bi摻雜后使枝晶生長(zhǎng)速度變慢。且Bi摻雜后形成的枝晶形狀大小一致，無(wú)個(gè)別大枝晶伸出，結(jié)構(gòu)致密，阻止了內(nèi)部組織中 Sn粒進(jìn)一步溶解和離子擴(kuò)散、遷移運(yùn)動(dòng)。而未添加Bi時(shí)，可以長(zhǎng)出100～200 μm (32 h)大小不等的長(zhǎng)枝晶，且不同方向枝晶生長(zhǎng)速率極為不均，出現(xiàn)了主生長(zhǎng)、次生長(zhǎng)及第三級(jí)生長(zhǎng)。當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間或加大電場(chǎng)時(shí)，則無(wú)數(shù)樹(shù)枝狀枝晶縱橫交錯(cuò)，其長(zhǎng)度與腐蝕時(shí)間和加載電場(chǎng)密切相關(guān)，產(chǎn)物極易脫落，導(dǎo)致內(nèi)部離子進(jìn)一步向溶液遷移。

圖8 98(Sn-3.0Ag-0.5Cu)-2Bi在3.5%NaCl溶液及5 V電場(chǎng)中枝晶生長(zhǎng)80 h后的SEM像Fig. 8 SEM images of dendrites of 98(Sn-3.0Ag-0.5Cu)-2Bi solder in 3.5% NaCl solution after 80 h dipping in electric field of 5 V: (a) Dendrites; (b) Crystals of dispersed dendrites on board

圖9 Sn-3.0Ag-0.5Cu在3.5%NaCl溶液中枝晶生長(zhǎng)32 h后的SEM像Fig. 9 SEM images of dendrites of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder in 3.5% NaCl solution after 32 h dipping in electric field of 5 V:(a) Dendrites; (b) Crystals of dispersed dendrites on board

由此可知，Bi摻雜對(duì)Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料的枝晶生長(zhǎng)速率或電化學(xué)遷移行為有抑制作用，但不能完全阻止其發(fā)生。這主要與Sn-Ag-Cu-Bi合金微觀組織有關(guān)。圖4的SEM像表明，隨著B(niǎo)i含量的增加，Sn-Ag-Cu合金組織顆粒度減小，因此，Bi摻雜能細(xì)化Sn-Ag-Cu-Bi IMC顆粒，主要原因是由于含Bi的釬料焊點(diǎn)IMC的生長(zhǎng)速度小于不含Bi的IMC生長(zhǎng)速率，且隨著B(niǎo)i含量的增加更加明顯[19]，從而導(dǎo)致基體中 Bi含量越高，IMC顆粒越細(xì)，與文獻(xiàn)[17]的結(jié)果一致，晶粒細(xì)化可有效抑制Sn粒向共晶組織與IMC邊界層偏析，從而使析出的 Sn粒較均勻和細(xì)小，形成的枝晶大小均勻、致密，增大了 Sn離子遷移、空間擴(kuò)散位阻，進(jìn)而阻止了內(nèi)部 Sn粒極性遷出長(zhǎng)大。這種抑制作用在微電子封裝中十分有利，微電子封裝中焊盤(pán)凸點(diǎn)間距及線寬達(dá)微米級(jí)，一旦焊接部位出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)，極易導(dǎo)致PCB板兩引線間橋連短路，嚴(yán)重的甚至?xí)龤д麄€(gè)PCB板。98(Sn-3.0Ag-0.5Cu)-2Bi枝晶的XRD譜如圖10所示。對(duì)于98(Sn-3.0Ag-0.5Cu)-2Bi釬料，電化學(xué)遷移導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)，其枝晶主要成分是 Sn和Ag3Sn，同時(shí)存在極少量Bi和Cu6Sn5，Bi在枝晶中存在的可能原因是Bi向合金邊界相偏析后，少量Bi沉淀在生長(zhǎng)枝晶上。

圖10 98(Sn-3.0Ag-0.5Cu)-2Bi枝晶的XRD譜Fig. 10 XRD pattern of dendrites of 98(Sn-3.0Ag-0.5Cu)-2Bi solder

3 結(jié)論

1) 動(dòng)電位極化結(jié)果顯示，對(duì)于 Sn-Ag-Cu-xBi釬料體系，隨著B(niǎo)i含量增加，釬料腐蝕速率增大；阻抗譜顯示，摻雜前后阻抗譜特征相同，均可用兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的等效電路模型表示，其擬合誤差<5%。隨著B(niǎo)i含量增加，容抗弧半徑減小，電荷傳遞電阻和腐蝕產(chǎn)物膜電阻均減小，耐蝕性能降低。

2) SEM像結(jié)果顯示，Bi摻雜對(duì)釬料在介質(zhì)中電化學(xué)遷移速度有減緩作用，因而對(duì)遷移所致的“枝晶”生長(zhǎng)有抑制作用。這與Bi加入能細(xì)化Sn-3.0Ag-0.5Cu合金結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3) XRD譜結(jié)果顯示，枝晶主要成分為 Sn和Cu6Sn5，同時(shí)含有少量Bi和Ag3Sn。

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Effects of Bi doping on electrochemical corrosion and dendrite growth suppression of lead-free Sn-3.0Ag-0.5Cu solder

HUA Li1,2,3, GUO Xing-peng1, YANG Jia-kuan2
(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China;2. School of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China;3. School of Chemistry and Life Science, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

The effects of Bi doping on the electrochemical corrosion characteristics and dendrite growth behavior of leadfree Sn-3.0Ag-0.5Cu solder in 3.5% NaCl solution (mass fraction) were investigated by potentiodynamic polarization and AC impedance measurement. The surface morphologies and elemental compositions of various elements in the solder were determined by analyzing the corrosion product formed on the specimen using SEM and XRD techniques. The results show that the corrosion current density increases with increasing Bi content. However, the corrosion potential does not change regularly. All of impedances of Sn-Ag-Cu solder with and without Bi doping have the same characteristics,the equivalent circuit with two time constants can preferably fit the electrochemical impedance spectroscopy of Sn-Ag-Cu-xBi with error less than 5%, which shows that all electrochemical corrosion characteristics have similar regularities. The impedance arc radius decreases when the Bi content increases, which shows that anti-corrosion capacity decreases with increasing Bi content. The SEM results show that the dendrite growth due to electrochemical migration can be suppressed. XRD results show that the main contents on dendrite are Sn, Cu6Sn5, also tiny Bi and Ag3Sn.

Sn-3.0Ag-0.5Cu solder; Bi doping; corrosion behavior; dendrite growth; suppression action

O646.6

A

1004-0609(2012)1-0150-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50671040, 50871044)；湖北省教育廳高校產(chǎn)學(xué)研合作重點(diǎn)資助項(xiàng)目(C2010071)；湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(D20093103)；湖北第二師范學(xué)院優(yōu)秀中青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目；湖北第二師范學(xué)院應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目；湖北第二師范學(xué)院校管重點(diǎn)項(xiàng)目(2009A005)

2010-12-20；

2011-07-15

郭興蓬，教授，博士；電話：027-87543432; E-mail: guoxp@mail.hust.edu.cn

(編輯 陳衛(wèi)萍)