铋是一种具备多方面独特性质的元素。通过肉眼能够看出，铋可以生长成美丽的彩虹色晶体。在过去的30年中，当涉及到电子和微电子产品应用时，我们通常会回避对铋的使用（至少不是批量生产时的标准方法）。然而，铋的应用在近期已引起了人们的关注。
在收到各种问题和评论之后，针对电子和微电子产品，我们将以“铋在电子产品中的作用”为主题，对其在整个行业应用领域中的重要性进行一个概述。
背景
由欧盟委员会发起的关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令（RoHS）（同1987年通过的国际条约蒙特利尔议定书类似）事实上具有很大的影响力。RoHS标准和蒙特利尔议定书均对电子行业产生了深远的影响。蒙特利尔议定书逐步淘汰了会造成臭氧减少的物质，而RoHS推动了世界范围内无铅电子产品的实施。
我们的团队在RoHS还没有生效的时候，就已对无铅焊料方面展开了研究。我们在该领域的第一项专利（专利号：5,520,752）提交于1994年，并于1996年通过。该专利由美国国防部的陆军和本人共同拥有，揭示了替代锡铅（SnPb）焊料的含铋无铅合金，其中包括 SnAgBi体系，SnAgInBi体系和SnAgCuBi体系，以及其他不含铋的无铅体系。该专利以服务军用电子产品为目标，体现了高性能无铅合金的概念和创新性。
在欧盟委员会颁布RoHS指令后，业界开始广泛认知并努力开展对无铅合金的研究，无铅电子工艺正变为现实(RoHS 1于2002/2004年，RoHS2于2011/2013年)。其他国家使用欧盟RoHS标准的变体于2000后在全球实施。
值得注意的是，一些知名的工程师和科学家一直对新型无铅焊料（包括含铋的无铅合金）表现出兴趣。从我开设“无铅工艺以及铋的作用”的讲座，到场的人数充分反映出来。这些讲座包括1997-2003年NEPCON West和NEPCON Japan上的专业开发课程；2003-2013年的IPC无铅会议；过去20年间在原始设备制造商（OEM）和美国国家航天局（NASA）机构内部培训；以及最近（2017年）由SMTA提供的网络教学计划。
15年过去了，无铅电子产品又取得了怎样的进展呢？此外，铋在无铅应用中发挥了什么样的作用？
在过去的15年中，SAC体系（确切地说是SAC305（Sn3.0Ag0.5Cu））已被广泛用作事实上的行业“标准”合金。然而，在这段时期内，出于对设计性能或其他目的的考虑，部分OEM厂商成功实现了对非SAC体系的不同合金的应用，尽管这仅仅是小批量的特殊应用。
对于无铅领域中和铋有关的主题，值得注意的是对两种不同的含铋无铅合金体系（锡基合金系与铋基合金系）的区分。这两种体系具有不同的冶金现象，因而具有不同的物理性能和机械性能，这就使得它们的预期应用和产品使用环境有所不同。
铋可以由供应链（不在设计中）或在设计中来引入。通过对所有相关参数、理论值和实际值的考虑，我们了解到，铋在电子产品焊料互连中发挥了强有力的作用。铋的合理使用将有利于提高电子封装和组装的性能和可靠性，包括焊点性能、缓解锡晶须等性能。
同样，不当使用铋也会对焊点产生有害作用，从而会影响产品的可靠性。对铋的属性及其性能参数有充分的理解，是实现产品可靠性的关键。本系列文章将对铋的有关方面进行讨论，以消除误解，并展示和铋有关的性能标准。我们的目标是实现预期的性能水准和产品可靠性。
本专栏所涵盖的主题
本系列专栏将重点介绍以下主题：
- 铋：特性、资源、安全性数据
- 铋在63Sn37Pb焊点中的作用
– 物理性质
– 力学性能
- 铋作为元件涂层和PCB表面处理的效果
– 溶于焊点
– 焊点中铋浓度的估算
– 组分变化的影响
- 铋在SAC焊点中的作用
– 组分变化
– 应力与应变
– 疲劳特性
- 铋在其他无铅合金(SnCu, SnAg, SnAgIn)中的作用
– 应力与应变
– 疲劳特性
- 历史上确定的含铋电子焊料合金
– 含铅
– 无铅
- 含铋无铅焊料合金
– 熔点温度范围
– 组分控制水平
– 物理、力学性能
– BGA热疲劳性能
- PCB通孔焊点剥离现象与铋的关系
– 原因
– 解决方案
- 低温BiPbSn相
– 存在与否
– 热分析图
– 可察觉和不可察觉的影响
– 一般准则
无铅焊点的设计限制与焊点的可靠性
- 锡基含铋焊料与铋基焊料
–区别
–物理性质
–力学性能
–使用环境
参考文献
- Yves Palmieri, Bismuth Institute Information Center, Belgium.
- Jennie S. Hwang, “Bismuth in Electronic Solders,” Bulletin of Bismuth Institute Information Center, Belgium, #78, 2001.
