不斷增加數字化和更強的連接性推（tuī）動電（diàn）子產品的小型化、複雜化、集成化設（shè）計。隨著PCB上的（de）元件占位變小，封（fēng）裝尺寸也隨之縮小。但是，為提高性能尋找設計方案的動力不斷增強。焊點是用電子器件（jiàn）構（gòu）成組件的基本部分，它提供組件中的電氣、熱和機械連接。因此，焊接材料（liào）一直在演進，使這樣的技術革（gé）命能夠實現。

　　在21世（shì）紀初，在焊接材料中限製使（shǐ）用鉛（qiān）促使電子（zǐ）行業廣泛使用無（wú）鉛焊（hàn）接材料。從那時起，對具有熱可靠性（xìng）與機械可靠性的焊（hàn）錫（xī）合金的需求就成為（wéi）開發新焊接材料的最重要的技術驅動因素。低溫焊料（LTS）目前正被考慮用於各種組裝需求。這些低溫焊錫有可能通過減少熱暴露來提高長（zhǎng）期可靠性（xìng），通過使（shǐ）用低Tg 的PCB和低溫兼（jiān）容元件及（jí）它（tā）的碳足（zú）跡（jì）來降低總的材料成本。使用低溫焊錫還被認為可（kě）以降（jiàng）低能量消耗，減少BGA封裝與PCB的動態翹曲，提（tí）高組裝（zhuāng）成品率，降低或消除沒有潤濕的開路和枕（zhěn）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問題，因為它們可能會導致（zhì）嚴重的焊接（jiē）缺陷，例（lì）如沒有潤濕的開路、焊錫橋連、枕頭效應和非接觸點開路。大量研究表（biǎo）明，這種翹曲的高度（dù）取決於回流溫（wēn）度，組裝時將焊（hàn）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（shòu）水平。

　　下一（yī）代LTS合金值得注意的（de）是，隻降低合金的熔點還不（bú）足以（yǐ）解決這類技術在可靠性方麵的困（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，它的延展性（xìng）比較（jiào）低，熱疲勞壽命（mìng）比較差，不如現（xiàn）在正在（zài）使用（yòng）的SAC305合金。

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

　　在合金中加入銀是改變共晶錫鉍合金微觀結構和性能的一種（zhǒng）最常用的方法。MacDermid Alpha電子解決方（fāng）案公司對焊錫合金的廣泛研究沒有止步於此，他們還致力於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（pǐn）。經過（guò）證明，SBX02焊錫（含微（wēi）量（liàng）添加劑X的無銀錫鉍共（gòng）晶合金）的抗（kàng）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（jìn），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（néng）添加劑）表現出優異的跌落衝擊性能和熱循環性（xìng）能。如圖（tú）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合起來，以（yǐ）提高合金的熱可靠性（xìng）和機械可靠性。

　　LTS錫膏與組裝把選定的合金加工成IPC四型粉末，使用（yòng）適量的焊膏助焊劑混合成錫膏，然後再進（jìn）一（yī）步（bù）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（gōng）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（yǐ）上時間為（wéi）35到（dào）40秒，最高回流溫度為185-190°C。評估的所有BGA都是SAC305焊錫球（qiú）。

　　大塊（kuài）合金的屬性固溶體強化和沉澱/彌散硬（yìng）化（huà）結合起來，可以提高金屬錫（xī）的（de）機械強度。鉍、銦、銻這（zhè）些元素在錫（xī）中的溶（róng）解度比較高，在合金中形成固溶體，而其（qí）他的元素如（rú）銀和銅在（zài）錫鉍合金中的溶解度比較小，在（zài）錫鉍合金中添加少（shǎo）量的這些金屬可以提高（gāo）合金的強度。大塊合金的性能可以提供關於（yú）焊點抗機械（xiè）應力和（hé）抗熱（rè）疲（pí）勞（láo）性能的（de）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（xiàn）和液相線溫度相同（共晶），大約為138°C。根據錫鉍合金的相圖（tú），鉍含量下降到58 wt.%對應的共晶點以下時，液相線的溫度上升，這種（zhǒng）情況取決於合金中添加的微量金屬。在合金HRL1的情（qíng）況中，固（gù）相線和液相線的溫度分別是138℃和151℃。另外，HRL1的（de）DSC曲線表明，在139°C時，79.7%的合金轉化為液相；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（dà）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（xī）鉍合金的極限（xiàn）抗拉強度（UTS）都明顯要高於SAC305合金。但是，HRL1合金的屈服（fú）強（qiáng）度（dù）和延展性與SAC305相似。相比之下，的高屈服強度表現出易脆性。無法得到在75°C下的拉伸數據，這是由（yóu）於拉伸樣品在這個溫度時開（kāi）始變形，並且從測試夾緊裝置中滑落。不過，在75℃時，HRL1的抗（kàng）拉強度和屈（qū）服強度仍然和SAC305的性能相當，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（háng）大塊合金的蠕變測試（shì）。在進行任何組裝之前，進行這種類型的測試是測（cè）定焊（hàn）點熱機械性（xìng）能的機會。

　　HRL1斷裂前的總時間（jiān）（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（kàng）熱應力性能。

　　機械（xiè）可靠性和熱可靠（kào）性便攜設備和手持設備已迅速成為我（wǒ）們日常生活的一部分，因此，抗跌落和抗（kàng）衝擊性能成為在這類設備（bèi）中使用的焊錫必須具備的特性。由於對真實的電子設備進行測試相當麻煩而且很昂貴，代用品（pǐn）測（cè）試（shì）（例如JESD22-B111標準（zhǔn））可以代替真實的電子設備。JEDEC的服（fú）務條件B（1500 高斯，持續時間0.5 毫（háo）秒的半正弦脈衝）可能是最常見的電路板級跌落衝（chōng）擊測試，並（bìng）且可以供後續測試的測試（shì）結果參考。

　　將鉍含量降低到58 wt.%以下可以在有效提高（gāo）含鉍合金延展性的同（tóng）時保持合金的強（qiáng）度，改善（shàn）抗跌落衝擊性能（néng），如圖（tú）2所示。但是，鉍含量達到40wt%或更低的錫鉍合金（jīn）的液相線（xiàn）溫度高於178°C，回流溫度必須高於（yú）200°C，這違背了使用低溫合金代替SAC合金（jīn）的目的（de）。此外，將鉍含量從58 t.%下降到可（kě）以將跌落衝擊特性壽命（即達到累積故障率 63.2%的時間）提（tí）到（dào）高（gāo）到77%，但這樣的性能仍然比SAC305替換品的（de）要求低40%。

　　在數十種（zhǒng）使用了各種不同的添加劑組合的錫鉍合金中發現，HRL1的混合（hé）焊點與同質焊點的跌落衝擊性能最（zuì）好，如圖3所示。Weibull分（fèn）布曲線顯示（shì），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（zhǒng）快速測試方法來評估同質焊點的跌落衝擊行（háng）為。

　　在（zài）這種情況下，HRL1合金的跌落衝擊特性壽命略高於SAC305。

　　在每一種情況（kuàng）下，HRL1和SAC305的Weibull曲線都在95%的可信任區間內。同樣（yàng）值得（dé）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（zhōng）也和SAC305幾乎一樣（分別是1.83和1.73）。

　　熱可靠（kào）性測試（shì）使用一個（gè）單區空氣-空氣熱衝擊腔，樣品（pǐn）在（zài）腔中進行溫度從-40°C到+125°C的熱衝擊循環，在每個溫度下（xià）停留10分鍾的熱（rè）循環達到2000次。根據IPC 9701-A標準中的描述，連續監測元件的電阻，把連（lián）續五個讀數中電阻增加20%或更多的情況定義為（wéi）失敗。圖4是在1000/1500/2000次熱循環後的累計失敗（bài）。在（zài）現場監測中，與SAC305焊點進行比較（jiào），隻（zhī）考慮LTS/SAC305混合焊點。在前1000次循（xún）環中沒有（yǒu）觀察到失敗（bài）。1500次循環後，共（gòng）晶錫鉍合金的失敗速（sù）度相對加快，而直到2000次循（xún）環時HRL1失敗速度和SAC305的接（jiē）近。 焊點評估現場監測（cè）焊點的電阻提供在熱（rè）循環過（guò）程（chéng）中焊點上發生變化的是定量信息，焊點橫截麵分析（如果有的話）因為熱循環（huán）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（hàn）點（diǎn）（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同質焊點（LGA256、MLF100和芯片電阻1206、0805和0201）的例子（zǐ）。考慮到優化的組件和（hé）回流的條件，並結合封裝（zhuāng）的（de）尺（chǐ）寸，並（bìng）沒有觀察到翹曲或焊（hàn）接缺陷。

　　在1500次熱循環後焊點（diǎn）的（de）橫截麵，是1206芯片電阻（zǔ）在2500次（cì）熱循環後的橫截（jié）麵。在（zài）1500次（cì）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（piàn）電阻進行單獨的熱循環測試，焊（hàn）點的橫截麵表明經過2500次循環後（hòu），HRL1的同質焊（hàn）點出現一點退化。相比之（zhī）下，在（zài）SnBi合金和SAC305合金中觀察到大量的裂縫。

　　在這些（xiē）測試（shì）條件和元件中，所（suǒ）有三種合金在熱循環後都表現出（chū）剪切強度下降（圖7），但HRL1的微觀結構似乎更能承受因熱（rè）循（xún）環應變引起的應力。在熱循環達到500次時，共晶SnBi和HRL1的（de）剪切強（qiáng）度隻比初始值10.6和11.2 kgf略為下降，而SAC305的剪（jiǎn）切強度損失比這兩種焊錫高8倍。在2000次熱循環後，HRL1的剪（jiǎn）切強度比初（chū）始值降低24%，而共晶SnBi下降68.4%，SAC305下降（jiàng）81%（初始值是10.1 kgf）。

　　總結由於（yú）可以在200℃以下回流（liú）的高可靠性低溫無鉛（qiān）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、微觀（guān）結構（gòu）和熱（rè）機（jī）械（xiè）性能。針對（duì）本文討論的封裝和實驗條件，結果總結如下：與抗拉強（qiáng）度比較高的SnBi合金相結合的HRL1焊錫，屈（qū）服強度和延展性和SAC305相（xiàng）似。

　　HRL1焊錫可以使峰值回流溫（wēn）度低到185-190°C，使用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（huí）來溫度達（dá）到170-175℃，用（yòng）於均質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（yǐ）及許多其他應用中使用（yòng）。