不斷增加數字化和更強的（de）連接（jiē）性推動電子產品的小型化、複雜（zá）化、集成化設計。隨著（zhe）PCB上的元件占位變（biàn）小，封裝尺寸也隨之縮小。但（dàn）是，為提高性能（néng）尋（xún）找設計方案的動力不斷增強。焊點是用電子器（qì）件構成組（zǔ）件的基本部分，它提供組件中的電氣、熱和機械連接。因此，焊接材料一直在演進，使這樣（yàng）的技術革命能夠實現。

　　在21世紀初，在（zài）焊接材料中限製使用鉛促使電子行業廣泛使用無鉛焊接材料。從那時起，對具（jù）有熱可靠性與機（jī）械可（kě）靠性的焊錫合金的需求就成為開發新焊接材料的最重要的（de）技術驅動因素。低溫焊料（LTS）目前正（zhèng）被考慮用（yòng）於各種組裝（zhuāng）需求。這些（xiē）低溫焊錫有可（kě）能通過減少熱暴露來提高長期可靠性，通過（guò）使用低Tg 的PCB和低溫兼容（róng）元件及它（tā）的碳足跡來降低總（zǒng）的材料成本。使用低溫焊錫還被認為可以降低能量（liàng）消耗，減少BGA封（fēng）裝與PCB的動態翹曲，提（tí）高組裝成品（pǐn）率，降低或消除沒有潤濕的開路和枕頭（tóu）效應缺陷。的確，動態翹曲是PoP底部和PoP內存封裝的一個嚴重問題，因為它們可能會導致嚴重的（de）焊接缺陷，例如（rú）沒有潤（rùn）濕的開路、焊錫橋連、枕頭效應（yīng）和（hé）非接觸點開路。大（dà）量研究表明，這種翹（qiào）曲的高度取決於回流溫度，組裝時將焊接溫度保持在200°C以下，就可以把翹曲的高度大幅降低到可接受水（shuǐ）平。

　　下一代LTS合金值得注意的是（shì），隻降低合金的熔點還不足以解決（jué）這（zhè）類技術在可靠性方麵的困難（nán）。例如（rú），共晶42Sn58Bi合金會（huì）是一種合乎（hū）邏輯的選擇，它的熔點是138°C，但是，它的（de）延展性比較低，熱疲勞壽（shòu）命（mìng）比較差，不如現在正在使用的（de）SAC305合金。

　　因為這種合（hé）金的富鉍相是易脆的，這使共晶42Sn58Bi焊錫（xī）在高應變速（sù）率情況下（xià）容易發生（shēng）脆性斷裂。材料供應商和行業協（xié）會，例（lì）如iNEMI正在開發和測試新的低溫合金，以滿足（zú）這些要求。

　　在（zài）合金中加入銀是改變共晶錫鉍合金微觀結構和性能的一種最常用的方法。MacDermid Alpha電子解決方案公司對焊（hàn）錫合金的廣泛研究沒有止步於此（cǐ），他們還致力於開發具有（yǒu）更高熱可靠性（xìng）和機械可靠性的低溫（wēn）焊錫係列產品。經過證（zhèng）明，SBX02焊錫（xī）（含微量添加劑X的無銀錫鉍共（gòng）晶合金）的抗機械衝擊（jī）性能和熱循環性能（néng），要比一般（bān）已知（zhī）的42Sn58Bi和（hé）2Sn57.6Bi0.4Ag合（hé）金更高。最近（jìn），HRL1焊錫（一種非共晶錫鉍焊錫，含約2 wt.% （重量百分（fèn）比2 %）的性能添加劑）表現出優異的跌落（luò）衝擊性能（néng）和熱循環性能。如圖（tú）所示，這（zhè）種新的LTS合金把最佳（jiā）水平的鉍和正確的合（hé）金添加劑組合結合起來，以提高合金的熱可（kě）靠性和（hé）機械可靠性。

　　LTS錫膏（gāo）與組（zǔ）裝把選定的合金加工成IPC四型粉末，使用適量的焊膏助焊（hàn）劑混合成錫膏（gāo），然後再進一（yī）步評估（gū）焊點的熱可靠性和機（jī）械可靠性。使（shǐ）用HRL1錫膏來組裝測（cè）試工具的回（huí）流溫度（dù）曲線如圖（tú）1所示。在100-120℃的溫度浸漬60-90秒。液相線（xiàn）（TAL）以（yǐ）上時間為35到40秒，最高回流溫度為（wéi）185-190°C。評估的所有BGA都是SAC305焊錫球。

　　大塊合金的屬性固溶體強化（huà）和沉澱/彌散硬化結合起來，可以提高金屬錫的機（jī）械強度。鉍、銦、銻這些元（yuán）素在錫（xī）中的溶解度比較高，在合金中形成固溶（róng）體（tǐ），而其他的元素如銀和銅在錫鉍合金中的（de）溶解度比較小，在錫鉍合金中添加少量的這些金屬可以提高合金（jīn）的強度。大塊合金的性能可以提供關於焊點（diǎn）抗機械應力和抗熱疲勞性能的詳細信息，超過微觀結構觀察。

　　表1給出共晶42Sn58Bi、HRL1和SAC305合金的一些關鍵物理性能。高純度42Sn58Bi合金的固相線和液相（xiàng）線溫度相同（共晶），大約為138°C。根據錫鉍合金的（de）相圖，鉍含量下降到58 wt.%對應（yīng）的共晶點以下（xià）時，液相線（xiàn）的溫度上升，這種情（qíng）況取決於（yú）合金中添加的微量金屬。在合金HRL1的情況中，固相線和液相線的溫度分別是138℃和151℃。另外，HRL1的DSC曲線表明，在139°C時，79.7%的合金轉化為液相；在（zài）144°C時是99%。42Sn58Bi合金和HRL1合金的密度比SAC305的（de）密度大，因為鉍的密度比錫大得多。HRL1合金的線性熱膨脹係（xì）數（CTE）介於42Sn58Bi和SAC305之間。 在室溫下（xià），這兩種錫（xī）鉍合金（jīn）的極限（xiàn）抗拉強度（UTS）都明顯（xiǎn）要高於SAC305合金。但是，HRL1合金的屈服（fú）強度和延展性與SAC305相似。相比之下，的高屈服強（qiáng）度表現（xiàn）出易脆性。無法得到在75°C下的拉伸數據，這是由於拉伸樣（yàng）品在這個溫（wēn）度時開始（shǐ）變形，並且從測試夾緊裝（zhuāng）置中滑落（luò）。不（bú）過，在75℃時，HRL1的抗拉強（qiáng）度和屈（qū）服強度仍然和SAC305的性能相當，這個有力的跡象表明HRL1改善了機械強度和熱強度。

　　在溫度80°C使用恒定負載（150 牛頓）下進行大塊合金的蠕變測試。在進行任（rèn）何組裝之前，進行這種類型的（de）測試是（shì）測定焊點熱機械性能的（de）機會。

　　HRL1斷裂前的總時間（也（yě）稱為蠕變強度）比共晶42Sn58Bi的高出30%，這進一步（bù）證明HRL1提高了抗機械應力和抗（kàng）熱應力性（xìng）能。

　　機械可靠性和熱可靠性便攜設備和手持設備已迅速成為葡萄视频日常（cháng）生（shēng）活的一部分，因此，抗跌落和抗衝擊性能（néng）成為在這類設備（bèi）中使用的焊錫必須具備的特（tè）性。由於對真實的電子設（shè）備進行測試（shì）相當麻煩而且很昂貴，代用品測試（例如JESD22-B111標準）可以代替真實的電子設備。JEDEC的服務（wù）條件B（1500 高斯，持續時間0.5 毫秒的半正弦脈衝）可能是最常見（jiàn）的電路板級跌落衝擊測試，並且可以供後續測試的（de）測試結果（guǒ）參（cān）考。

　　將鉍含量降低到58 wt.%以下可以在有效提高含鉍（bì）合金延展性的同時（shí）保持合金的強度，改（gǎi）善抗跌落（luò）衝擊性（xìng）能（néng），如圖2所示。但是，鉍含量達到40wt%或更低的錫（xī）鉍合金（jīn）的液相線溫度高於（yú）178°C，回流溫度必須高於200°C，這違背了使用低溫合金代替SAC合金的目的。此外，將鉍（bì）含量從58 t.%下降（jiàng）到可以（yǐ）將跌落衝擊（jī）特性壽命（即達到累積故障率 63.2%的時間）提到高到77%，但這樣的性能仍然比SAC305替換品的要求低40%。

　　在（zài）數十種使用了各種不同的添加劑組合的錫（xī）鉍合金中發現，HRL1的混（hún）合焊點與同質焊點的跌落衝擊性能最好，如圖（tú）3所示。Weibull分布曲線顯示，HRL1合金/SAC305混合焊點的跌落衝擊特性壽（shòu）命是在BGA84中SAC305混合焊點的82.7%。LGA84采用一種快速測試方法來評估（gū）同（tóng）質焊（hàn）點的跌落衝擊行為。

　　在這種情況下，HRL1合金（jīn）的跌落衝擊特（tè）性（xìng）壽命略高於SAC305。

　　在每一種情（qíng）況下，HRL1和SAC305的Weibull曲線（xiàn）都在95%的可信任區間內。同樣值得注意的是，在BGA84中 ，HRL1和SAC305的形狀參數相同（tóng）（都是1.27），在 LGA84中也和SAC305幾乎一樣（分別是1.83和1.73）。

　　熱可靠性測試使（shǐ）用一個單區空氣-空氣熱衝擊腔，樣品在腔中進行溫度從-40°C到+125°C的熱衝擊循環，在每個溫度下（xià）停留10分鍾的（de）熱循環達到2000次。根據IPC 9701-A標準中（zhōng）的描述，連續監測元件的電阻（zǔ），把連續五個讀數中電阻增加20%或更多的情況定義為失敗（bài）。圖4是在1000/1500/2000次熱循環後的累計失敗。在現場監測中，與SAC305焊點（diǎn）進行比較，隻考慮LTS/SAC305混合（hé）焊點。在前1000次循環（huán）中沒有觀察到失敗（bài）。1500次循環後，共晶錫鉍合金的失敗速度相對加快（kuài），而直到2000次循環時HRL1失敗速度和SAC305的接（jiē）近。 焊點評估現場監測焊點的電阻（zǔ）提供在熱循環過程中焊點上發生變化的是定量信（xìn）息，焊點橫截麵分析（如（rú）果有的話）因為熱循環導（dǎo）致的相應的（de）焊點退化提（tí）供看得見的（de）參考。圖5是剛剛焊接的一些HRL1/SAC305混合焊點（diǎn）（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同質焊點（LGA256、MLF100和芯片電阻（zǔ）1206、0805和0201）的例（lì）子。考慮到優化的組件和回流（liú）的條件（jiàn），並結合（hé）封（fēng）裝的尺寸，並沒有觀察到翹曲或焊接缺陷。

　　在1500次熱循環後焊點的橫截麵，是1206芯（xīn）片電阻在（zài）2500次熱循環後的橫截麵。在（zài）1500次熱循環後，共（gòng）晶SnBi/SAC305混合焊點的退（tuì）化比HRL1/SAC305混合焊點高。對1206芯片電阻進行單獨的熱循環（huán）測試，焊點的橫截麵表明經過2500次循環後（hòu），HRL1的同質焊點出（chū）現一點退化。相比（bǐ）之下，在SnBi合金和SAC305合金中觀察到大量（liàng）的裂縫。

　　在這些測試條件和元件中，所有三種合金（jīn）在熱（rè）循環後都表現出剪切強度下降（圖7），但HRL1的（de）微（wēi）觀結構似（sì）乎更能承（chéng）受因熱循環應變（biàn）引起（qǐ）的應力。在熱（rè）循環達到500次時，共晶SnBi和HRL1的剪切強度（dù）隻比初始（shǐ）值10.6和11.2 kgf略為下降，而SAC305的剪切強度損失比這（zhè）兩種焊（hàn）錫高8倍。在2000次熱循環後，HRL1的剪（jiǎn）切強度比初始值（zhí）降低24%，而共晶SnBi下降68.4%，SAC305下降81%（初始值是10.1 kgf）。

　　總結由於可以在200℃以下回流（liú）的高（gāo）可靠性（xìng）低溫無鉛焊錫合金（jīn）的需求在不斷增長（zhǎng），因（yīn）此，必須仔細考慮這類合金的特性，包括（kuò）熔融表現、微觀結（jié）構和熱機械性能。針對本文（wén）討論的封裝和實驗（yàn）條件（jiàn），結果總結如下：與抗拉強度（dù）比較高的SnBi合金相結（jié）合的HRL1焊錫，屈服強度和延展性和SAC305相似。

　　HRL1焊錫可（kě）以使峰值回流溫度低到185-190°C，使用SnAgCu焊錫球組（zǔ）裝的BGA封裝（即（jí）與SAC的混合焊點），或者使峰值回來溫度達到170-175℃，用於均質HRL1焊點。

　　HRL1的跌落衝擊性能和熱循環性能使它可以作為測試工（gōng）具和實驗條件，以及許多其他應用中使用。