不斷增加數字化和（hé）更強的（de）連接性推（tuī）動電子（zǐ）產品的小型化、複雜化、集成化設計。隨著PCB上的元（yuán）件占位變小，封裝尺（chǐ）寸也隨之縮小。但是，為提高性（xìng）能（néng）尋找設（shè）計方案的動力不斷增強。焊點是用電子器件構成組件的基本部（bù）分，它提（tí）供組件中的電氣、熱和機（jī）械連接。因此（cǐ），焊接材（cái）料一直在演進（jìn），使這樣的技術革命能夠實現。

　　在21世紀初，在焊接材（cái）料中（zhōng）限製使用鉛促使電子行業廣泛使用無鉛焊接材料。從那時（shí）起，對具有熱可靠性與機械可靠性的焊錫合金的需求就成為（wéi）開發新焊接材（cái）料的最重要的技術驅動因素。低溫焊料（LTS）目前正被考慮用於各種（zhǒng）組裝需求。這些低溫焊錫有可能（néng）通（tōng）過減少熱暴露來提高長期可靠性，通過（guò）使用低（dī）Tg 的PCB和低（dī）溫兼容元件及它的碳足跡來降低總的材料（liào）成本。使（shǐ）用低溫焊（hàn）錫（xī）還被認（rèn）為可以降低能量消耗，減少BGA封裝與PCB的動態翹曲，提高組裝成品率，降低或消（xiāo）除沒有潤濕的開路（lù）和枕（zhěn）頭（tóu）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（jiē）缺陷，例如沒有潤濕的開路、焊錫橋連、枕頭效（xiào）應和非接觸點開路。大量研究表明，這種翹曲的高度取決（jué）於回流溫（wēn）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（jiàng）低到可接受水平。

　　下一代LTS合金（jīn）值得注意的（de）是，隻降低合金的熔點還不足以解決這類技（jì）術在可（kě）靠性方麵的困（kùn）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，它的延（yán）展性（xìng）比較低，熱疲勞壽命比較差，不如現在正在使用的（de）SAC305合（hé）金（jīn）。

　　因為這種合金的（de）富鉍相是易脆（cuì）的，這使共晶42Sn58Bi焊錫在高（gāo）應變速（sù）率情（qíng）況下容（róng）易發生脆（cuì）性（xìng）斷裂。材料供應商和行業協（xié）會（huì），例如iNEMI正在開發和測（cè）試（shì）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（jīn）微觀結構和（hé）性能的一種最常用的方法。MacDermid Alpha電子解決（jué）方（fāng）案公司對焊錫合（hé）金的廣泛研究（jiū）沒有（yǒu）止步於此，他們還（hái）致力於開發具有更高熱可靠性和機（jī）械可靠性的低溫焊錫係列產（chǎn）品（pǐn）。經過證明，SBX02焊錫（含微量添加劑X的無銀（yín）錫（xī）鉍共（gòng）晶合金）的抗機械衝擊性（xìng）能和熱循環（huán）性能，要比一般已知的42Sn58Bi和2Sn57.6Bi0.4Ag合（hé）金更高。最近，HRL1焊錫（xī）（一種非（fēi）共晶錫鉍焊（hàn）錫，含約2 wt.% （重量百分比2 %）的性能添加劑）表現出優異的跌落衝擊性能和熱循環性能。如圖所示，這種新的LTS合金（jīn）把最佳水平的鉍和正確的合金添加劑組合（hé）結合起來，以提高合金的熱可靠性和機械可（kě）靠性。

　　LTS錫膏與組裝（zhuāng）把選定的（de）合金加工成IPC四型粉末，使用適量的焊膏助（zhù）焊劑混合成錫膏，然後再進一（yī）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，最高回流溫度為185-190°C。評估的所有（yǒu）BGA都是SAC305焊錫球。

　　大塊合（hé）金的（de）屬性固溶體強化和沉澱/彌（mí）散硬化結合起（qǐ）來，可以（yǐ）提高金屬錫的機械強度。鉍（bì）、銦（yīn）、銻這些元素（sù）在錫中的溶解度比較高，在合金中（zhōng）形成固溶體，而其他的元素如（rú）銀和銅在錫鉍合金中的溶解度比較小，在錫鉍合金中添加少（shǎo）量的這些金屬可以提高合金的強度。大塊合金的性能可以提（tí）供關於（yú）焊點抗機械應力（lì）和抗熱疲勞性能的詳細（xì）信息，超過微觀結（jié）構觀察。

　　表1給出（chū）共晶42Sn58Bi、HRL1和SAC305合金的一些關鍵（jiàn）物理性能。高純度42Sn58Bi合金的固相線和液相線溫度相同（共（gòng）晶），大約為138°C。根據（jù）錫鉍合金的相圖，鉍含量下降到58 wt.%對應的（de）共晶點（diǎn）以下時，液相線的溫度上（shàng）升，這種情（qíng）況取決於合（hé）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（bié）是138℃和151℃。另外，HRL1的DSC曲（qǔ）線表明，在139°C時，79.7%的合金轉（zhuǎn）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（yú）42Sn58Bi和SAC305之間（jiān）。 在室溫下，這兩種錫鉍合金（jīn）的極限抗拉強度（dù）（UTS）都明顯要高於SAC305合金。但（dàn）是，HRL1合金的屈服強度和延展性與SAC305相似（sì）。相比之下，的高屈服強度表現（xiàn）出易脆性（xìng）。無法得到在75°C下的拉伸數（shù）據，這是由於拉伸樣品（pǐn）在這個溫度（dù）時開始變形，並且從測試夾緊裝置中滑落。不過，在75℃時（shí），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（míng）HRL1改善了機械強度和熱強度。

　　在溫度80°C使用恒定負（fù）載（150 牛頓）下進行大塊合金（jīn）的蠕變測試。在進行任何組（zǔ）裝之前，進行這（zhè）種類型的測試是測定焊（hàn）點熱機械性能的機（jī）會。

　　HRL1斷裂前的（de）總時間（也稱為蠕（rú）變強度）比共（gòng）晶42Sn58Bi的高出30%，這進一步證明HRL1提（tí）高了抗機械應（yīng）力和抗熱應力性能（néng）。

　　機（jī）械可靠性和熱可靠性便攜（xié）設備和手持設備已迅速成為我們日常生（shēng）活的一（yī）部分，因此，抗跌落（luò）和抗衝擊性能成為在（zài）這類（lèi）設（shè）備中使用的焊錫必（bì）須具備的特性。由於對真實的電子設備（bèi）進行測試相當麻（má）煩而且很（hěn）昂貴，代用品測試（例如JESD22-B111標準）可以代替真實的電子（zǐ）設備。JEDEC的（de）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）測試結果參考。

　　將鉍含量降低到58 wt.%以下可以在有效提高含鉍合金（jīn）延展性的同時保持合金的強度，改善抗跌落衝擊性能，如圖（tú）2所示。但是，鉍含量達到40wt%或更低的錫鉍合金的液相線溫度高於178°C，回流溫度必（bì）須高於200°C，這（zhè）違背了使（shǐ）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（jiāng）跌（diē）落衝（chōng）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（jì）組合的錫鉍合金中發現，HRL1的混合焊點與同質焊點的（de）跌落（luò）衝擊性能最好，如圖3所示。Weibull分布（bù）曲線顯示（shì），HRL1合金/SAC305混合焊點的跌落衝擊特（tè）性壽命是在BGA84中SAC305混合焊點的82.7%。LGA84采用（yòng）一種快速測試方法來評估同質焊點的跌落衝擊行為。

　　在這種情況下，HRL1合（hé）金的跌落衝擊特性壽命略高於SAC305。

　　在每一種情況下，HRL1和SAC305的Weibull曲線（xiàn）都在95%的可（kě）信任區間內。同樣值得注意的是，在BGA84中 ，HRL1和SAC305的（de）形狀參數相同（都（dōu）是1.27），在 LGA84中也和SAC305幾乎（hū）一樣（分別是1.83和1.73）。

　　熱可靠性測試使用一個單區空氣（qì）-空氣熱衝擊（jī）腔，樣品在腔中進行溫度從（cóng）-40°C到+125°C的熱衝（chōng）擊循環，在每（měi）個溫度下停留10分鍾的（de）熱循環達到2000次。根據（jù）IPC 9701-A標（biāo）準中的描述，連續監測元件的（de）電阻，把連續五個讀數中電阻增加20%或更多（duō）的情（qíng）況定義為失敗。圖（tú）4是在1000/1500/2000次熱循環（huán）後的（de）累（lèi）計失敗。在現場監（jiān）測中（zhōng），與SAC305焊點（diǎn）進（jìn）行比較（jiào），隻考慮LTS/SAC305混合焊點。在（zài）前1000次循環中沒有觀察到（dào）失敗。1500次循（xún）環後，共晶錫鉍（bì）合金的失敗（bài）速度相對加快，而直到2000次循環時HRL1失敗速度和SAC305的接近。 焊點評估現（xiàn）場監測焊點的電阻提供在熱（rè）循環過程中焊點上發生變化的是定量信息，焊點橫（héng）截（jié）麵分析（如果有的話）因為熱循環導致的相應的焊點退化（huà）提供看得見的參考。圖5是剛剛焊接（jiē）的一（yī）些HRL1/SAC305混合焊點（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同質焊點（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（liú）的條（tiáo）件，並結合封裝的尺寸，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芯片電阻在2500次（cì）熱循環後的橫截麵。在1500次熱循環後，共晶SnBi/SAC305混（hún）合（hé）焊點的退化比HRL1/SAC305混合焊點高。對1206芯片電阻進行（háng）單獨（dú）的熱循（xún）環測試，焊（hàn）點的橫截麵表（biǎo）明經過2500次循環後，HRL1的同質焊點出（chū）現一點退化。相比之下，在SnBi合（hé）金和SAC305合（hé）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（xún）環後（hòu）都表現出剪（jiǎn）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的應力。在熱循環達到500次時，共（gòng）晶SnBi和HRL1的（de）剪切強度隻比初始（shǐ）值（zhí）10.6和11.2 kgf略為下降，而SAC305的剪切強度損失比這兩種焊（hàn）錫高8倍（bèi）。在2000次熱循環後，HRL1的剪切強度（dù）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）。

　　總結由於可以在200℃以下回流的高可靠性（xìng）低溫無鉛焊錫合金（jīn）的需求在不斷增（zēng）長，因此，必須仔細考慮這類合金的特性，包括熔融（róng）表現、微觀結構和（hé）熱機械性能。針對本文（wén）討論的封裝和實驗（yàn）條件，結果總結如下：與抗拉強度（dù）比較高的（de）SnBi合金相結合的HRL1焊錫，屈服強度和延展（zhǎn）性和SAC305相似。

　　HRL1焊錫可以使峰值回（huí）流溫度低到185-190°C，使用SnAgCu焊錫球組裝的BGA封裝（即與SAC的（de）混合（hé）焊點（diǎn）），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（jī）性能和熱循環性能使它可以作為測試工具和實驗條件，以及許多其他應用中使用。