不（bú）斷增加數字化（huà）和更強的連接性推動電子產品的小型化、複（fù）雜化、集成化設計。隨著PCB上的元（yuán）件占位變小，封裝尺寸也隨之縮小。但（dàn）是，為（wéi）提高性能尋找設（shè）計方案的動力不（bú）斷增強。焊（hàn）點是用電子器件（jiàn）構成組件的（de）基本（běn）部分，它提供組件中的電氣（qì）、熱和機械連接。因此，焊接材料一直在演進，使這樣的技術（shù）革命能夠（gòu）實現。

　　在21世（shì）紀初，在焊接材料中限製使用鉛促使電（diàn）子行業廣泛使用無鉛（qiān）焊（hàn）接材料。從那（nà）時起，對具有熱可靠性與機械可靠性的焊錫合（hé）金的（de）需求就成為（wéi）開發新焊接材料的最（zuì）重要的技術驅動因素。低溫焊料（LTS）目前正被考慮用（yòng）於各種組裝需求。這些低溫焊錫有（yǒu）可能通過減（jiǎn）少熱暴露來提高（gāo）長期（qī）可靠性，通過使用低Tg 的PCB和（hé）低溫兼容元件及它的碳足跡來降（jiàng）低總的材料成本。使用低溫焊錫還被認為可以降低能量消耗，減少BGA封裝與PCB的動態翹曲，提（tí）高組裝成（chéng）品率，降低或消除沒有潤濕的開（kāi）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（yī）個嚴重問題，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、枕頭效應和非接觸點開路（lù）。大量研究表明（míng），這種（zhǒng）翹曲（qǔ）的高度取決於回流溫度，組裝（zhuāng）時將焊接溫度保持在200°C以下，就可以把翹曲（qǔ）的高度大幅降低到可接受水平。

　　下一代LTS合（hé）金值得（dé）注意的是，隻降低合金的熔點還不足以解決這類技術在可（kě）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（diǎn）是138°C，但是，它的延展性比（bǐ）較低，熱疲勞壽命比較差（chà），不如現在正在使用的SAC305合金。

　　因（yīn）為這種合金的富鉍相是（shì）易脆的，這使共（gòng）晶42Sn58Bi焊錫在高應變（biàn）速率（lǜ）情況下容易發生脆性斷裂。材料供應商和行業協會，例（lì）如iNEMI正在開發（fā）和（hé）測試新的低溫合金，以滿足這些要求。

　　在合金（jīn）中加入銀（yín）是改變共晶錫鉍（bì）合金微觀（guān）結構和性（xìng）能的一種最常用的方法（fǎ）。MacDermid Alpha電子解決方案公司對焊錫合（hé）金的廣泛研究沒有止步於此，他們還致力於開發具有更高（gāo）熱可靠性和機械可靠性的低溫焊錫（xī）係列產品。經過證明，SBX02焊錫（xī）（含微量添加劑X的無銀錫鉍共晶合金）的抗機械衝（chōng）擊性能和熱循（xún）環性（xìng）能（néng），要比一（yī）般已知的42Sn58Bi和2Sn57.6Bi0.4Ag合金更高。最近，HRL1焊錫（一種非（fēi）共晶（jīng）錫鉍焊錫，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（xìng）能和熱循環性能。如圖（tú）所示，這種新的LTS合金把最佳水平的鉍（bì）和正確的合（hé）金添加劑組合結合起來，以提高合金的（de）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，使用適量的焊膏助焊劑混合成（chéng）錫膏，然後再進一步評估（gū）焊點的熱可靠性和機械可靠性。使用HRL1錫膏來（lái）組裝測試工具的（de）回流溫度曲線如圖（tú）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，最高回（huí）流溫度（dù）為185-190°C。評估的所有BGA都是SAC305焊錫球（qiú）。

　　大塊合（hé）金的屬性固溶體強化和沉（chén）澱/彌散硬化結合起來，可以（yǐ）提高金屬錫的機械強度。鉍、銦、銻這些元素在錫中的溶解度比較高，在合金中形（xíng）成固溶體，而其他的元素如銀和銅在錫鉍合（hé）金中的（de）溶解度比較小，在錫鉍合金中（zhōng）添加少量的這些金屬可以提高（gāo）合金的強（qiáng）度。大塊合金的性能可以提供關於焊點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（hé）SAC305合金的一些關鍵物理性能。高（gāo）純度42Sn58Bi合金（jīn）的固相線和液相線溫度相同（共晶），大約為138°C。根據錫鉍合（hé）金的相圖，鉍含量下降（jiàng）到58 wt.%對應的共晶點以下（xià）時，液相線的溫度上升，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（shì）138℃和151℃。另外，HRL1的DSC曲線表明，在139°C時，79.7%的合金轉化為（wéi）液相；在144°C時是99%。42Sn58Bi合金（jīn）和HRL1合金的密（mì）度比（bǐ）SAC305的密度大，因為鉍的（de）密度比錫大得多。HRL1合金的線性熱膨脹係數（CTE）介（jiè）於42Sn58Bi和SAC305之間（jiān）。 在室溫下，這兩種錫鉍合金的極限（xiàn）抗拉（lā）強度（UTS）都明顯要高於SAC305合金。但是，HRL1合金（jīn）的屈服強度和延展性與SAC305相似。相比之下，的高屈服強（qiáng）度表現出易脆性。無法得到在75°C下的拉伸數據，這是由於拉伸樣（yàng）品在（zài）這（zhè）個（gè）溫度時開始變形，並且從測試夾緊裝置中滑（huá）落（luò）。不過，在75℃時，HRL1的抗拉強度（dù）和屈服強度仍然和SAC305的性能相當，這個有力的跡象表明（míng）HRL1改善了機械強度和熱強度。

　　在溫度80°C使用恒定負載（zǎi）（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（cè）定焊點熱機械性能的機會。

　　HRL1斷裂前的總（zǒng）時間（也稱為蠕變強度）比共晶42Sn58Bi的高出（chū）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攜設備和手持（chí）設（shè）備已迅速成為我們日常生活的一部分，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（bì）須具備的特性。由於對真實的電（diàn）子設備進行測試相當麻煩而且很昂貴（guì），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）可能是最常見的電路板級跌落衝擊測（cè）試，並（bìng）且可以供後續測試的測試結果（guǒ）參考。

　　將鉍含量（liàng）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金的強度，改善抗跌落衝擊性能，如圖2所示（shì）。但是，鉍含量達到40wt%或更低的錫鉍合金的液相（xiàng）線溫度高於178°C，回流溫度必（bì）須高於200°C，這違背（bèi）了使用低溫合金代替SAC合金的目的（de）。此外，將鉍含量從58 t.%下降到可以將跌落衝擊特性壽命（即達到累積故障率 63.2%的時間）提到高到77%，但這樣的性能仍然比（bǐ）SAC305替換品的要求（qiú）低40%。

　　在數十種使用了（le）各種不同的添加劑組合的（de）錫鉍合金（jīn）中發現，HRL1的混合焊點與同質（zhì）焊（hàn）點的跌落衝擊性能最好，如圖3所示。Weibull分布曲線（xiàn）顯示，HRL1合金/SAC305混合焊點的跌落衝擊特（tè）性壽命是在BGA84中SAC305混合（hé）焊點的82.7%。LGA84采用一（yī）種快速測試方法來評（píng）估同質焊（hàn）點的跌落衝擊行為。

　　在這種情況下（xià），HRL1合金的跌落衝擊特（tè）性壽命略高（gāo）於SAC305。

　　在每一種情（qíng）況下，HRL1和SAC305的Weibull曲線都在95%的可信（xìn）任區間（jiān）內。同樣（yàng）值得注意的是，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（yī）樣（分別是1.83和1.73）。

　　熱可靠性測試使用一個單區空氣-空（kōng）氣熱衝擊腔，樣品在腔（qiāng）中（zhōng）進行（háng）溫度從-40°C到+125°C的熱衝擊循環，在每（měi）個溫（wēn）度下停留10分鍾的熱循環達到2000次。根據IPC 9701-A標準中的描述（shù），連續監測元（yuán）件的（de）電阻，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（tú）4是（shì）在1000/1500/2000次熱（rè）循環（huán）後的累計失敗。在（zài）現場監測中，與SAC305焊點進（jìn）行比較，隻考慮LTS/SAC305混（hún）合焊點。在前1000次循環中沒有觀察到失敗。1500次循環後（hòu），共晶錫（xī）鉍合金的失敗速度相（xiàng）對加快，而直到2000次循環時HRL1失敗速度和SAC305的接近。 焊（hàn）點評估現場監測焊（hàn）點的電阻提供在熱循環過程中（zhōng）焊點上發（fā）生變（biàn）化的（de）是定量信息，焊點（diǎn）橫截麵分析（如果有（yǒu）的話（huà））因為（wéi）熱循環導致的相應的焊點退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同質（zhì）焊點（LGA256、MLF100和（hé）芯片電阻1206、0805和0201）的例子。考慮到優化的（de）組件和回（huí）流的條件（jiàn），並結合封裝的（de）尺寸，並沒有觀察到翹（qiào）曲或焊接缺陷。

　　在1500次熱循環（huán）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（hàn）點（diǎn）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，焊點的橫截麵表明（míng）經過2500次循環後，HRL1的同質焊點出現一點退化。相比之下（xià），在SnBi合金（jīn）和（hé）SAC305合（hé）金中觀（guān）察到（dào）大量的裂縫。

　　在這些測（cè）試條件和元件中，所有三種合金在熱循環後都表現出剪切強（qiáng）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的（de）應力。在熱循環（huán）達到500次時，共晶SnBi和HRL1的剪切強度（dù）隻比（bǐ）初始值10.6和11.2 kgf略為（wéi）下降，而SAC305的剪切強度損失比這兩（liǎng）種焊錫高8倍（bèi）。在2000次熱循環後，HRL1的剪切強度比初始值降低24%，而共（gòng）晶SnBi下降68.4%，SAC305下降81%（初始值是10.1 kgf）。

　　總（zǒng）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（xū）求在不斷增長，因此，必須仔細考慮這類合金的特性，包（bāo）括熔融表現、微觀（guān）結構和（hé）熱機械性能。針（zhēn）對本文討論的封裝和實（shí）驗條（tiáo）件，結果總結如下：與抗拉強度比較高的SnBi合金相結合的HRL1焊錫，屈服強度和延展性（xìng）和SAC305相似（sì）。

　　HRL1焊（hàn）錫可以使峰值回流溫度低到185-190°C，使用（yòng）SnAgCu焊錫球（qiú）組裝的BGA封裝（即（jí）與SAC的混（hún）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（néng）使它可（kě）以作為測試工具和（hé）實驗條件，以（yǐ）及許多其他應（yīng）用中使用。