不斷增加數(shù)字化和更強(qiáng)的連接性推動電子產(chǎn)品的小型化、復(fù)雜化、集成化設(shè)計(jì)。隨著PCB上的元件占位變小，封裝尺寸也隨之縮小。但是，為提高性能尋找設(shè)計(jì)方案的動力不斷增強(qiáng)。焊點(diǎn)是用電子器件構(gòu)成組件的基本部分，它提供組件中的電氣、熱和機(jī)械連接。因此，焊接材料一直在演進(jìn)，使這樣的技術(shù)革命能夠?qū)崿F(xiàn)。

　　在21世紀(jì)初，在焊接材料中限制使用鉛促使電子行業(yè)廣泛使用無鉛焊接材料。從那時(shí)起，對具有熱可靠性與機(jī)械可靠性的焊錫合金的需求就成為開發(fā)新焊接材料的最重要的技術(shù)驅(qū)動因素。低溫焊料（LTS）目前正被考慮用于各種組裝需求。這些低溫焊錫有可能通過減少熱暴露來提高長期可靠性，通過使用低Tg 的PCB和低溫兼容元件及它的碳足跡來降低總的材料成本。使用低溫焊錫還被認(rèn)為可以降低能量消耗，減少BGA封裝與PCB的動態(tài)翹曲，提高組裝成品率，降低或消除沒有潤濕的開路和枕頭效應(yīng)缺陷。的確，動態(tài)翹曲是PoP底部和PoP內(nèi)存封裝的一個(gè)嚴(yán)重問題，因?yàn)樗鼈兛赡軙?dǎo)致嚴(yán)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(diǎn)開路。大量研究表明，這種翹曲的高度取決于回流溫度，組裝時(shí)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平。

　　下一代LTS合金值得注意的是，只降低合金的熔點(diǎn)還不足以解決這類技術(shù)在可靠性方面的困難。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，它的延展性比較低，熱疲勞壽命比較差，不如現(xiàn)在正在使用的SAC305合金。

　　因?yàn)檫@種合金的富鉍相是易脆的，這使共晶42Sn58Bi焊錫在高應(yīng)變速率情況下容易發(fā)生脆性斷裂。材料供應(yīng)商和行業(yè)協(xié)會，例如iNEMI正在開發(fā)和測試新的低溫合金，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結(jié)構(gòu)和性能的一種最常用的方法。MacDermid Alpha電子解決方案公司對焊錫合金的廣泛研究沒有止步于此，他們還致力于開發(fā)具有更高熱可靠性和機(jī)械可靠性的低溫焊錫系列產(chǎn)品。經(jīng)過證明，SBX02焊錫（含微量添加劑X的無銀錫鉍共晶合金）的抗機(jī)械沖擊性能和熱循環(huán)性能，要比一般已知的42Sn58Bi和2Sn57.6Bi0.4Ag合金更高。最近，HRL1焊錫（一種非共晶錫鉍焊錫，含約2 wt.% （重量百分比2 %）的性能添加劑）表現(xiàn)出優(yōu)異的跌落沖擊性能和熱循環(huán)性能。如圖所示，這種新的LTS合金把最佳水平的鉍和正確的合金添加劑組合結(jié)合起來，以提高合金的熱可靠性和機(jī)械可靠性。

　　LTS錫膏與組裝把選定的合金加工成IPC四型粉末，使用適量的焊膏助焊劑混合成錫膏，然后再進(jìn)一步評估焊點(diǎn)的熱可靠性和機(jī)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(shí)間為35到40秒，最高回流溫度為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(qiáng)化和沉淀/彌散硬化結(jié)合起來，可以提高金屬錫的機(jī)械強(qiáng)度。鉍、銦、銻這些元素在錫中的溶解度比較高，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的溶解度比較小，在錫鉍合金中添加少量的這些金屬可以提高合金的強(qiáng)度。大塊合金的性能可以提供關(guān)于焊點(diǎn)抗機(jī)械應(yīng)力和抗熱疲勞性能的詳細(xì)信息，超過微觀結(jié)構(gòu)觀察。

　　表1給出共晶42Sn58Bi、HRL1和SAC305合金的一些關(guān)鍵物理性能。高純度42Sn58Bi合金的固相線和液相線溫度相同（共晶），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(yīng)的共晶點(diǎn)以下時(shí)，液相線的溫度上升，這種情況取決于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(shí)，79.7%的合金轉(zhuǎn)化為液相；在144°C時(shí)是99%。42Sn58Bi合金和HRL1合金的密度比SAC305的密度大，因?yàn)殂G的密度比錫大得多。HRL1合金的線性熱膨脹系數(shù)（CTE）介于42Sn58Bi和SAC305之間。 在室溫下，這兩種錫鉍合金的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）都明顯要高于SAC305合金。但是，HRL1合金的屈服強(qiáng)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(shù)據(jù)，這是由于拉伸樣品在這個(gè)溫度時(shí)開始變形，并且從測試夾緊裝置中滑落。不過，在75℃時(shí)，HRL1的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度仍然和SAC305的性能相當(dāng)，這個(gè)有力的跡象表明HRL1改善了機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度。

　　在溫度80°C使用恒定負(fù)載（150 牛頓）下進(jìn)行大塊合金的蠕變測試。在進(jìn)行任何組裝之前，進(jìn)行這種類型的測試是測定焊點(diǎn)熱機(jī)械性能的機(jī)會。

　　HRL1斷裂前的總時(shí)間（也稱為蠕變強(qiáng)度）比共晶42Sn58Bi的高出30%，這進(jìn)一步證明HRL1提高了抗機(jī)械應(yīng)力和抗熱應(yīng)力性能。

　　機(jī)械可靠性和熱可靠性便攜設(shè)備和手持設(shè)備已迅速成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，因此，抗跌落和抗沖擊性能成為在這類設(shè)備中使用的焊錫必須具備的特性。由于對真實(shí)的電子設(shè)備進(jìn)行測試相當(dāng)麻煩而且很昂貴，代用品測試（例如JESD22-B111標(biāo)準(zhǔn)）可以代替真實(shí)的電子設(shè)備。JEDEC的服務(wù)條件B（1500 高斯，持續(xù)時(shí)間0.5 毫秒的半正弦脈沖）可能是最常見的電路板級跌落沖擊測試，并且可以供后續(xù)測試的測試結(jié)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延展性的同時(shí)保持合金的強(qiáng)度，改善抗跌落沖擊性能，如圖2所示。但是，鉍含量達(dá)到40wt%或更低的錫鉍合金的液相線溫度高于178°C，回流溫度必須高于200°C，這違背了使用低溫合金代替SAC合金的目的。此外，將鉍含量從58 t.%下降到可以將跌落沖擊特性壽命（即達(dá)到累積故障率 63.2%的時(shí)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(shù)十種使用了各種不同的添加劑組合的錫鉍合金中發(fā)現(xiàn)，HRL1的混合焊點(diǎn)與同質(zhì)焊點(diǎn)的跌落沖擊性能最好，如圖3所示。Weibull分布曲線顯示，HRL1合金/SAC305混合焊點(diǎn)的跌落沖擊特性壽命是在BGA84中SAC305混合焊點(diǎn)的82.7%。LGA84采用一種快速測試方法來評估同質(zhì)焊點(diǎn)的跌落沖擊行為。

　　在這種情況下，HRL1合金的跌落沖擊特性壽命略高于SAC305。

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

　　熱可靠性測試使用一個(gè)單區(qū)空氣-空氣熱沖擊腔，樣品在腔中進(jìn)行溫度從-40°C到+125°C的熱沖擊循環(huán)，在每個(gè)溫度下停留10分鐘的熱循環(huán)達(dá)到2000次。根據(jù)IPC 9701-A標(biāo)準(zhǔn)中的描述，連續(xù)監(jiān)測元件的電阻，把連續(xù)五個(gè)讀數(shù)中電阻增加20%或更多的情況定義為失敗。圖4是在1000/1500/2000次熱循環(huán)后的累計(jì)失敗。在現(xiàn)場監(jiān)測中，與SAC305焊點(diǎn)進(jìn)行比較，只考慮LTS/SAC305混合焊點(diǎn)。在前1000次循環(huán)中沒有觀察到失敗。1500次循環(huán)后，共晶錫鉍合金的失敗速度相對加快，而直到2000次循環(huán)時(shí)HRL1失敗速度和SAC305的接近。 焊點(diǎn)評估現(xiàn)場監(jiān)測焊點(diǎn)的電阻提供在熱循環(huán)過程中焊點(diǎn)上發(fā)生變化的是定量信息，焊點(diǎn)橫截面分析（如果有的話）因?yàn)闊嵫h(huán)導(dǎo)致的相應(yīng)的焊點(diǎn)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(diǎn)（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同質(zhì)焊點(diǎn)（LGA256、MLF100和芯片電阻1206、0805和0201）的例子?？紤]到優(yōu)化的組件和回流的條件，并結(jié)合封裝的尺寸，并沒有觀察到翹曲或焊接缺陷。

　　在1500次熱循環(huán)后焊點(diǎn)的橫截面，是1206芯片電阻在2500次熱循環(huán)后的橫截面。在1500次熱循環(huán)后，共晶SnBi/SAC305混合焊點(diǎn)的退化比HRL1/SAC305混合焊點(diǎn)高。對1206芯片電阻進(jìn)行單獨(dú)的熱循環(huán)測試，焊點(diǎn)的橫截面表明經(jīng)過2500次循環(huán)后，HRL1的同質(zhì)焊點(diǎn)出現(xiàn)一點(diǎn)退化。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(huán)后都表現(xiàn)出剪切強(qiáng)度下降（圖7），但HRL1的微觀結(jié)構(gòu)似乎更能承受因熱循環(huán)應(yīng)變引起的應(yīng)力。在熱循環(huán)達(dá)到500次時(shí)，共晶SnBi和HRL1的剪切強(qiáng)度只比初始值10.6和11.2 kgf略為下降，而SAC305的剪切強(qiáng)度損失比這兩種焊錫高8倍。在2000次熱循環(huán)后，HRL1的剪切強(qiáng)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(jié)由于可以在200℃以下回流的高可靠性低溫?zé)o鉛焊錫合金的需求在不斷增長，因此，必須仔細(xì)考慮這類合金的特性，包括熔融表現(xiàn)、微觀結(jié)構(gòu)和熱機(jī)械性能。針對本文討論的封裝和實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)果總結(jié)如下：與抗拉強(qiáng)度比較高的SnBi合金相結(jié)合的HRL1焊錫，屈服強(qiáng)度和延展性和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)），或者使峰值回來溫度達(dá)到170-175℃，用于均質(zhì)HRL1焊點(diǎn)。

　　HRL1的跌落沖擊性能和熱循環(huán)性能使它可以作為測試工具和實(shí)驗(yàn)條件，以及許多其他應(yīng)用中使用。