不斷增加數字化和更強的連接性推動電子產品的小型化、複雜化、集成化設計。隨著PCB上（shàng）的元件占位變小，封裝尺寸（cùn）也隨之縮小。但是（shì），為提高性能尋找設計方（fāng）案的動力（lì）不斷增強。焊點（diǎn）是用電子器件構成組件的基本部分，它（tā）提供組件中的電（diàn）氣（qì）、熱和機械連接。因此，焊（hàn）接材料一直在（zài）演進，使這樣的技術革命能夠實現。

　　在21世紀初，在焊接（jiē）材料中限製使用鉛促使電子行業廣泛使用（yòng）無鉛焊接材料。從那時起，對具有熱可（kě）靠性與機械可靠性的焊錫合金的需求就成（chéng）為開發（fā）新焊接材料的最重要的技術驅動因素。低溫焊料（LTS）目前正被考慮用於（yú）各（gè）種組裝（zhuāng）需（xū）求（qiú）。這些低溫焊錫（xī）有可能通過減少熱暴露來提高長期（qī）可靠性（xìng），通過使用低Tg 的PCB和低溫兼容元件及它的碳（tàn）足跡來降低總的（de）材料（liào）成本。使用（yòng）低溫焊錫還被認為可以（yǐ）降低能量消耗，減少（shǎo）BGA封裝與PCB的動態翹曲，提高組裝成（chéng）品率，降低或消除沒有潤（rùn）濕的開路（lù）和枕頭效應缺陷。的確，動態翹曲是PoP底部和PoP內存封裝的（de）一（yī）個嚴（yán）重（chóng）問題，因為它們可能會導致嚴重的焊接缺陷，例如沒有潤濕的開路、焊錫橋連、枕頭效應（yīng）和非接觸點開路。大量研究表明，這種翹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（xià），就可以把翹曲的高度大幅降低到可接受水平。

　　下一代LTS合金（jīn）值得注（zhù）意的是，隻降低合金的熔點還不足以解決這類技術（shù）在可（kě）靠性方麵的困難。例如，共（gòng）晶42Sn58Bi合（hé）金會是一種（zhǒng）合乎邏輯的選擇，它的熔點是（shì）138°C，但是，它的延展性比較低，熱疲勞壽命比較差，不（bú）如現在正在使用的SAC305合金。

　　因為（wéi）這種合金的富鉍相是易脆的，這使共晶42Sn58Bi焊錫在高應變速率情（qíng）況下容易發生（shēng）脆性斷裂。材料供應商和行業（yè）協會（huì），例如iNEMI正在開發（fā）和測試新的低溫合（hé）金，以滿足這些要求。

　　在合金中加入銀是改變共晶錫鉍合金微觀（guān）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（duì）焊錫合金的廣泛研究（jiū）沒有止步（bù）於此，他們還致力於開發具有更高熱可靠性和機械可靠性（xìng）的低溫焊錫係列產（chǎn）品。經過證明，SBX02焊（hàn）錫（含微量添加劑X的無銀錫鉍（bì）共晶合金）的抗機械衝擊性能和熱循環性能，要比一般已知的42Sn58Bi和2Sn57.6Bi0.4Ag合（hé）金更高。最近，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（yì）的跌落衝擊性能和熱循環性能（néng）。如圖所示，這種新的LTS合金把（bǎ）最佳水平的鉍和（hé）正（zhèng）確的合金添加劑組合（hé）結合起（qǐ）來，以（yǐ）提高合（hé）金的（de）熱可靠性和機械可靠性。

　　LTS錫膏與組裝把（bǎ）選定的（de）合金加工成IPC四型粉末，使用適量的焊膏助焊劑混合成錫膏（gāo），然後再進一步評估（gū）焊點的（de）熱可靠性和機械可靠性。使用HRL1錫膏來組裝測試工具的回流溫度（dù）曲線如（rú）圖1所示。在100-120℃的溫度浸漬60-90秒。液相線（TAL）以上時間為35到40秒，最高（gāo）回流溫度為（wéi）185-190°C。評估的所有（yǒu）BGA都是SAC305焊錫球。

　　大（dà）塊（kuài）合金（jīn）的屬性固溶體強化和沉澱（diàn）/彌（mí）散硬化結合起來，可以提高金屬錫（xī）的機械強度。鉍、銦、銻這（zhè）些元素在錫中的溶解度比（bǐ）較高（gāo），在合金中形成固溶體，而其他的元素如銀和銅在錫鉍合金中（zhōng）的溶解度比較小，在錫鉍合（hé）金中（zhōng）添加少（shǎo）量的這些金屬可以（yǐ）提高（gāo）合（hé）金的強度。大塊（kuài）合（hé）金的性能可以提供關（guān）於焊（hàn）點抗機械應力和（hé）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（yè）相線溫度相同（共晶），大約為138°C。根據錫鉍（bì）合金（jīn）的相圖，鉍含（hán）量下降到58 wt.%對應的共晶點以下時，液相線的溫度上（shàng）升，這種情況（kuàng）取決於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（de）合金轉化為液相；在144°C時是99%。42Sn58Bi合金（jīn）和HRL1合金的密度比SAC305的密度大，因為鉍的密度比錫大得多。HRL1合金的線性熱膨脹係數（CTE）介於42Sn58Bi和SAC305之間。 在室溫下，這兩種錫鉍合金的極（jí）限抗拉強度（UTS）都明顯要高於SAC305合金。但是，HRL1合金的屈服強度和延（yán）展性與SAC305相似。相比之下，的高屈服強度表現出（chū）易脆（cuì）性。無法得到在75°C下的拉伸數據，這是由於拉伸樣品在這個溫度時開始變形，並且從測試夾（jiá）緊裝置（zhì）中（zhōng）滑落。不過，在75℃時，HRL1的（de）抗拉強度和屈服強度仍然和SAC305的（de）性能相當，這個有力（lì）的跡象表明HRL1改善了機（jī）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（hé）金的（de）蠕變測試（shì）。在（zài）進行任（rèn）何（hé）組裝之（zhī）前，進行這種類型的測試是測定焊點熱（rè）機械性能的機會。

　　HRL1斷裂前的總時間（也稱為蠕變強度）比共晶42Sn58Bi的高出30%，這進一步證明HRL1提高了抗機械應（yīng）力和抗熱應力性能。

　　機械可靠性和熱（rè）可靠性便攜設備和手持設備已迅速成為（wéi）我（wǒ）們日（rì）常生（shēng）活的一部分，因此，抗跌落（luò）和抗（kàng）衝擊性（xìng）能成（chéng）為在這類設備中使用的焊錫（xī）必須具（jù）備的特性。由於對真實的電子（zǐ）設備進行測試（shì）相當麻煩而且很昂貴，代（dài）用品測（cè）試（例如JESD22-B111標準）可（kě）以代替真實的（de）電子設備。JEDEC的服務條件B（1500 高斯，持續時間0.5 毫秒的半正弦脈衝）可能是最（zuì）常見的電路板（bǎn）級跌落衝擊測試，並且可以供後續測（cè）試（shì）的測試結果參考。

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

　　在數十種使用了各種（zhǒng）不同的（de）添加（jiā）劑（jì）組合的錫鉍合金中發現（xiàn），HRL1的混合焊點與同質焊點的（de）跌落衝擊（jī）性能最好，如圖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（xìng）壽命是在BGA84中SAC305混合焊點的82.7%。LGA84采用一種快（kuài）速測試方法來評估同質焊點的跌落衝擊行為。

　　在這種情況（kuàng）下，HRL1合金的跌落衝擊特性壽命略（luè）高於SAC305。

　　在每一（yī）種（zhǒng）情況下，HRL1和SAC305的Weibull曲線都在95%的可信任區間內（nèi）。同樣值（zhí）得注意的是，在BGA84中 ，HRL1和SAC305的形狀參數相同（都是1.27），在（zài） LGA84中也和SAC305幾乎一樣（分別（bié）是1.83和1.73）。

　　熱可靠性測試使用（yòng）一個單區（qū）空氣-空氣熱衝擊腔，樣品在腔中進行溫（wēn）度從-40°C到（dào）+125°C的熱衝擊（jī）循環，在每個溫度下停留（liú）10分鍾的（de）熱循環達到2000次。根據IPC 9701-A標準中的（de）描述，連續監測元件的電阻，把（bǎ）連續五個讀數中電阻增加20%或更（gèng）多的情況定義為失敗。圖（tú）4是在1000/1500/2000次熱循環後的累計失敗。在現場監測中（zhōng），與SAC305焊點（diǎn）進行比較（jiào），隻考慮LTS/SAC305混合焊點。在前1000次循環中沒有觀察到（dào）失敗。1500次循環後，共晶（jīng）錫鉍合金（jīn）的失敗速（sù）度相對加（jiā）快，而直到（dào）2000次循環時HRL1失敗（bài）速度和SAC305的接近。 焊點評估現場監測焊點的電阻（zǔ）提供（gòng）在熱循環過程中焊點上發生變化的（de）是定量信息，焊點橫截麵分析（如果有的話）因為熱循環導致的相應的（de）焊點退化提供看得見的參（cān）考。圖5是剛剛焊接的一（yī）些HRL1/SAC305混合焊點（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同（tóng）質焊點（LGA256、MLF100和芯片電阻1206、0805和0201）的例子。考慮到優化的組件和回流的條件，並結合封裝的尺寸，並（bìng）沒有觀察到翹曲或焊接缺陷。

　　在1500次熱（rè）循環後焊點的橫截麵，是1206芯片電阻在2500次熱循環後的橫（héng）截麵。在1500次熱循環後，共晶SnBi/SAC305混合焊點的退化比HRL1/SAC305混合焊點高。對1206芯片電阻進行單獨的熱循環測試，焊點的橫截（jié）麵表明（míng）經過2500次循環後，HRL1的同質焊點出現（xiàn）一點退化。相比之下，在SnBi合金和SAC305合金中觀察（chá）到大量的裂縫。

　　在這些測試條件和元件中，所有三種合金在熱循環後（hòu）都表現出剪切強度下降（圖7），但HRL1的微觀結構似乎更能承受（shòu）因熱循環應變引起的應力。在熱循環達到500次時，共晶SnBi和HRL1的剪切（qiē）強（qiáng）度（dù）隻比初始值10.6和11.2 kgf略為下降（jiàng），而SAC305的剪切強度損失比這兩種焊錫高8倍。在2000次熱循環後，HRL1的剪切強（qiáng）度（dù）比初始值降低24%，而共晶（jīng）SnBi下降68.4%，SAC305下降81%（初始值是10.1 kgf）。

　　總結由於可以在200℃以下回流的高可靠性低溫無（wú）鉛焊錫合金的需求在不斷增長，因此，必須仔（zǎi）細考慮這類合（hé）金的特性，包括熔融表現（xiàn）、微觀（guān）結構和熱機械性能。針對本文討（tǎo）論的封裝和實驗（yàn）條件，結果總結如下：與（yǔ）抗拉強度比較高的SnBi合金相結（jié）合的HRL1焊錫，屈服強度和延展性和（hé）SAC305相似。

　　HRL1焊錫可以使峰值回流溫度低到185-190°C，使用SnAgCu焊錫球組裝的BGA封裝（即與SAC的混合焊點（diǎn）），或者使峰值回來溫（wēn）度達到170-175℃，用於（yú）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具和實驗條件，以及許（xǔ）多其他應（yīng）用中使用。