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（zá）化、集成化設計。隨著PCB上的元件占位變小，封裝尺寸也（yě）隨之縮小。但是（shì），為提（tí）高性能尋找設計方案的（de）動力不斷增強。焊點是用（yòng）電子器件構（gòu）成組件的基本部分，它提供組件中的電氣、熱和（hé）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，在焊接材料（liào）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，對具有熱可靠性（xìng）與機械可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技術驅動因素。低溫焊料（LTS）目前（qián）正被考慮用於各種組裝需求。這（zhè）些低溫焊錫有（yǒu）可能通過減少熱暴露來提高（gāo）長期可靠性（xìng），通過使用低Tg 的（de）PCB和低溫兼容元件及它的碳足跡來降低總的（de）材料成本。使用（yòng）低（dī）溫焊錫還（hái）被（bèi）認為可以降低能（néng）量消耗，減少（shǎo）BGA封裝與PCB的動態翹曲，提高組（zǔ）裝成品率，降低或消除沒有潤濕（shī）的開路和枕頭效應缺陷。的確，動態翹曲是PoP底部和PoP內存封裝的一個嚴重（chóng）問題，因為它們可能會導致嚴重的焊接缺陷（xiàn），例如沒有潤濕（shī）的開（kāi）路、焊錫（xī）橋連、枕頭效應和非接觸點開路。大量研究表明，這種翹曲的高度取決（jué）於回（huí）流溫度（dù），組裝時將焊接溫度保持在200°C以下（xià），就可以把翹曲的（de）高（gāo）度（dù）大幅降低到可接受水平。

　　下一代LTS合金值得注意的是，隻降低合金的熔點還不足以解決這類技術在可靠性方麵的困難。例如，共晶42Sn58Bi合金會是一種合乎邏輯的選擇，它的熔點是138°C，但是，它（tā）的延展性比較低，熱疲（pí）勞壽（shòu）命比較差，不如（rú）現在正在使用的SAC305合金。

　　因為這種合金的富鉍相（xiàng）是易脆的（de），這使共晶42Sn58Bi焊錫在高應變速率情況（kuàng）下容易發生脆性斷裂（liè）。材料供應商和行業協會，例（lì）如（rú）iNEMI正在開發和測試新的低溫合金，以滿足這些要求。

　　在合金中加入銀是（shì）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（jué）方案（àn）公（gōng）司對焊錫合金的廣泛研究沒有止步於此，他們還致力（lì）於（yú）開發具有更高熱可靠性和機械可靠性的低溫焊錫係列產品。經過證明，SBX02焊錫（含微量添加劑X的無銀錫鉍共晶合金（jīn））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合金更高。最近，HRL1焊錫（一種非共晶錫（xī）鉍焊錫（xī），含約2 wt.% （重量百分比2 %）的性能添加劑（jì））表現出優異的跌落衝擊性能和熱循環性（xìng）能。如（rú）圖所示，這種新（xīn）的LTS合金把最佳水平（píng）的鉍和正確的合金添加劑組（zǔ）合結合起來，以提高合金的熱可靠性和機械可靠性。

　　LTS錫膏與組裝把選定的合金加（jiā）工成IPC四型粉末，使用適（shì）量的焊膏助焊劑混合成錫膏，然後再進一步評估焊點的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曲線如圖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（zuì）高回流溫度（dù）為185-190°C。評估（gū）的所（suǒ）有BGA都是SAC305焊錫球。

　　大塊合金的屬性固（gù）溶體強化和（hé）沉澱/彌散硬（yìng）化結合起來，可（kě）以提高金屬錫（xī）的機械強度。鉍、銦、銻這些元素在錫中的溶解度比較高，在（zài）合金中形成固溶體，而其他的元素如銀和銅在錫鉍（bì）合金中的溶解度比較小（xiǎo），在錫鉍合金中添加少（shǎo）量的這些金屬可（kě）以提高合金的強度。大塊合金的性能（néng）可以提供關於焊點抗機（jī）械應力和抗熱（rè）疲勞性（xìng）能的詳細信（xìn）息，超過微觀結構觀察。

　　表1給出共晶42Sn58Bi、HRL1和SAC305合金（jīn）的一些關鍵物（wù）理性能。高純度42Sn58Bi合金的固相線和（hé）液（yè）相線溫度相同（共晶），大約為138°C。根據錫（xī）鉍合金的相圖，鉍含量下降到58 wt.%對應的共晶點以下時，液（yè）相線的溫度上升，這種情況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%的合金轉化為液（yè）相；在144°C時是99%。42Sn58Bi合金和（hé）HRL1合金的密度比SAC305的密度大，因為（wéi）鉍的密度比錫大（dà）得多。HRL1合金（jīn）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（bì）合金的極限抗拉強度（dù）（UTS）都（dōu）明顯要高於SAC305合金。但（dàn）是（shì），HRL1合金的屈服強度和延展性與SAC305相似。相比之下，的（de）高（gāo）屈服強度表現出易脆性。無法得到在（zài）75°C下的拉伸數據，這（zhè）是由於拉伸樣（yàng）品在這個溫度時開始變形，並且從測試夾緊裝置中滑落。不過，在75℃時，HRL1的抗拉強度和屈服強度仍然和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（zài）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。在進行任何組裝之前，進行這種類型的測試是測定焊點熱機械性能的機會。

　　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提高了抗機械應力和抗熱應力性能。

　　機械可靠性和熱可靠性便（biàn）攜設備和手（shǒu）持設備已迅速（sù）成為葡萄视频日常生活的一部分，因此，抗跌落和抗衝擊性能成為在這類設備中使用的焊錫必須具備的特性。由於對（duì）真實的（de）電子設備進行測試相當麻煩而且很（hěn）昂貴，代用品測（cè）試（shì）（例（lì）如JESD22-B111標準）可以代替真實的電子設備（bèi）。JEDEC的服務條件B（1500 高斯，持續時間0.5 毫秒的半正弦脈衝（chōng））可能是最常見的電路板級跌落衝擊測試，並且可以供（gòng）後（hòu）續測試的測試結果參（cān）考。

　　將鉍含量降低到58 wt.%以下可以在有效提高含鉍合金延展性的同時保持合（hé）金的強度，改善（shàn）抗跌落衝擊性能，如圖2所示。但是，鉍含量達到（dào）40wt%或更低的錫（xī）鉍（bì）合金的液（yè）相線溫（wēn）度高於178°C，回流溫（wēn）度必須高於（yú）200°C，這（zhè）違背了使用（yòng）低溫合金代替SAC合金的目的。此外，將鉍含量從58 t.%下降到可以將跌落衝擊特性壽命（即達到累（lèi）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%。

　　在數十種使用了各種不同的添加劑（jì）組合的錫鉍合金中發現，HRL1的混合焊點與（yǔ）同質焊點的跌落衝擊性能最好，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壽命是在BGA84中SAC305混合焊點的82.7%。LGA84采用一種快速測（cè）試方法來（lái）評估（gū）同質焊點的跌落（luò）衝擊行為。

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

　　在每一種（zhǒng）情況下，HRL1和SAC305的（de）Weibull曲線都在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（都是1.27），在 LGA84中也和SAC305幾乎一樣（分別是1.83和（hé）1.73）。

　　熱可靠性測試使用一個單區空氣-空氣熱衝擊（jī）腔，樣品在腔中進行（háng）溫度從-40°C到+125°C的熱衝擊循環，在（zài）每（měi）個溫度下停留10分鍾的熱（rè）循環達到2000次。根據（jù）IPC 9701-A標準中的描述，連續監測元（yuán）件的（de）電阻（zǔ），把連續（xù）五個讀數中電阻增加20%或更多的情況定義（yì）為失敗。圖4是在1000/1500/2000次熱循（xún）環（huán）後的累計失敗。在（zài）現場（chǎng）監測中，與SAC305焊點進行比較，隻考慮LTS/SAC305混合焊點。在前（qián）1000次循環中沒有觀察到失敗。1500次循環後，共晶錫鉍合金的失敗速度相對加快，而直到2000次循（xún）環（huán）時HRL1失敗速度和SAC305的接近。 焊點評估現場監測（cè）焊點的電阻提供在熱循環過程中焊點上發生變化的是定量信息，焊點橫截麵分析（如果有的（de）話）因（yīn）為熱循環導致的相應的焊點退（tuì）化提供看得見的參考。圖5是剛剛焊接的一些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（hé）0201）的例子。考慮到優化的組件和（hé）回流的條件（jiàn），並結合封裝的尺寸，並沒有（yǒu）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芯片電阻在2500次熱循環後的橫截麵。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（jìn）行單獨（dú）的熱循環測試，焊點的橫截麵表明經過2500次循環後，HRL1的同質焊點出現一點退化（huà）。相比之下，在SnBi合金和SAC305合金中觀察到大量的裂縫。

　　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（chū）剪切（qiē）強度下降（圖7），但HRL1的微觀結構似乎更能承受因熱循環應變引起（qǐ）的應力。在熱循環達到500次時，共晶SnBi和HRL1的剪切強度隻比初始值10.6和11.2 kgf略為下降，而SAC305的剪切（qiē）強度損失比這兩種焊錫高（gāo）8倍。在2000次熱循環後，HRL1的剪切強度比初始值降低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℃以下回流的高可（kě）靠性低溫無鉛焊錫合金的需求在不斷增長，因此，必須仔細考慮這類合金的特性，包括熔融表現、微觀結構和熱機械性能。針對本文討論的封裝和（hé）實驗條件，結（jié）果總結如下：與（yǔ）抗拉強（qiáng）度比較（jiào）高的SnBi合金相結合（hé）的HRL1焊錫，屈服（fú）強度和延展性和SAC305相似。

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

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