不斷增加數字化和更強的連接性推動電子產品的小型（xíng）化、複雜化、集成化設（shè）計。隨著PCB上的元（yuán）件占位變小，封裝尺寸也隨之縮小。但是，為提高性（xìng）能尋找設計方（fāng）案的動力不斷增（zēng）強。焊點是用電子器件構成組件（jiàn）的基本部分，它提供組件中的電氣、熱和機械連（lián）接。因此，焊接材料一直在（zài）演（yǎn）進，使這樣的技（jì）術革（gé）命能夠實（shí）現。

　　在（zài）21世紀初，在焊接材料中限製（zhì）使用鉛促使（shǐ）電子行業廣（guǎng）泛使用無鉛焊接材（cái）料。從那時起，對具有熱可靠性（xìng）與機械可靠性的（de）焊錫合金的需（xū）求就成為開發新（xīn）焊接材料的最重要的技術驅動因素。低溫（wēn）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（kě）能通過減少熱（rè）暴露來提高長期可靠性，通過（guò）使用低Tg 的（de）PCB和低溫兼容元件及它的碳（tàn）足跡來降低總的材料成本。使用低溫焊錫還被（bèi）認為可（kě）以降低能量消（xiāo）耗，減少BGA封（fēng）裝與PCB的動態翹曲，提高組裝成品率，降低或消除沒有潤濕的開路和枕頭效應缺（quē）陷。的確，動態翹曲是（shì）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）嚴重的焊接缺陷（xiàn），例如沒有潤濕的開路、焊錫橋連、枕頭效應和非接觸點開路。大量研究表明，這種翹曲的高度取決於回流溫度，組裝時將焊接溫度保持在200°C以（yǐ）下（xià），就可以把翹曲的高度大幅降低到（dào）可接受水（shuǐ）平。

　　下一代LTS合（hé）金值（zhí）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（huì）是一種合乎邏輯（jí）的選擇，它的熔點是138°C，但是，它的延展性比較（jiào）低，熱疲勞壽命比較差，不如現在正在使用的SAC305合金。

　　因為這種合金的富鉍相是易脆的，這使共晶42Sn58Bi焊錫在高應變速率情況下容易發生（shēng）脆性斷裂。材料供應商和（hé）行業協會，例如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（yín）是改變共晶錫鉍合金微觀結構和性能的一種最常（cháng）用的方法。MacDermid Alpha電子解決方案公司對焊錫合（hé）金的（de）廣泛（fàn）研究沒有止步於此，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（wēn）焊錫係列產品（pǐn）。經過證明，SBX02焊錫（含微量添加劑X的無銀錫鉍（bì）共晶合金）的（de）抗機械衝擊性能和（hé）熱循環性能（néng），要比一般已知的（de）42Sn58Bi和2Sn57.6Bi0.4Ag合金更高。最近，HRL1焊錫（xī）（一種非共晶錫鉍焊錫，含約2 wt.% （重量百分比2 %）的性（xìng）能（néng）添加劑）表現出優異（yì）的跌落衝擊性能和熱循（xún）環性能。如圖所示，這種新的（de）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（lái），以提高合金的熱可靠性和機械可靠性。

　　LTS錫（xī）膏與組裝把選定的合（hé）金加工成IPC四型粉末，使用（yòng）適量的焊膏助焊劑混合（hé）成錫膏（gāo），然後再進（jìn）一步評估（gū）焊點的（de）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（liú）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（shàng）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（de）屬性固溶體強化（huà）和沉澱/彌散硬化結合起來，可以提高金屬錫的機械強度。鉍、銦、銻這些元素在錫中的溶（róng）解度（dù）比較高，在合（hé）金中形成（chéng）固溶體，而其他的元素如銀和銅在錫鉍合金（jīn）中的溶解度比較小，在錫鉍合（hé）金中添加少量的這些金屬（shǔ）可以提高（gāo）合金的強度。大塊合金的（de）性能（néng）可以提（tí）供關於焊點抗機械（xiè）應力和抗熱疲勞性能的詳細信息，超過微（wēi）觀（guān）結構觀察（chá）。

　　表1給出共（gòng）晶42Sn58Bi、HRL1和SAC305合金的一些關鍵物理性能。高純（chún）度42Sn58Bi合金的固相線和液相線溫度相同（共晶（jīng）），大約為138°C。根據錫鉍合金的相圖，鉍含量下降到58 wt.%對應（yīng）的共（gòng）晶點（diǎn）以下時，液相線的溫度上升，這種情況取決於合金中添加的（de）微量金屬。在合金（jīn）HRL1的情況（kuàng）中，固相（xiàng）線和（hé）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（shí），79.7%的合金（jīn）轉化為液相；在144°C時（shí）是99%。42Sn58Bi合金和HRL1合金（jīn）的密度（dù）比SAC305的密度大，因為鉍的密度比錫大得（dé）多。HRL1合金的線性熱膨脹係數（CTE）介（jiè）於42Sn58Bi和SAC305之間。 在室溫下，這兩種錫鉍合金的極限抗拉強度（UTS）都明顯要高於SAC305合金。但是，HRL1合金的屈服強度和延展性（xìng）與SAC305相似。相比之下，的高屈服強度表現（xiàn）出易（yì）脆（cuì）性。無法得到在75°C下的拉伸數據，這是由於拉伸樣品（pǐn）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的抗拉強度和屈服強度（dù）仍然和SAC305的性能（néng）相當，這（zhè）個（gè）有力（lì）的跡象（xiàng）表明HRL1改善了（le）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（jìn）行大塊合金的（de）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（xiè）性能（néng）的機會。

　　HRL1斷裂前的總時間（jiān）（也稱為蠕變（biàn）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（hé）抗熱應力性能。

　　機械可靠性和熱可靠性便攜設備和手持設備已（yǐ）迅速成為（wéi）葡萄视频日常（cháng）生活的一部分，因此，抗跌落和抗衝擊性能成為在這類（lèi）設備中使用的焊錫必須具（jù）備的特（tè）性。由於對真實的電（diàn）子設備進行測（cè）試相當麻煩（fán）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（gāo）斯，持續時間0.5 毫秒的半正弦脈衝）可能（néng）是最常（cháng）見的電路（lù）板級跌落衝擊測試，並且可（kě）以供後續測試的測試（shì）結果參考。

　　將鉍含量（liàng）降低到58 wt.%以下可（kě）以在有效提（tí）高含鉍合（hé）金（jīn）延展（zhǎn）性的同時保持合金的（de）強（qiáng）度（dù），改善（shàn）抗跌落衝擊性能，如（rú）圖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SAC305替換（huàn）品的要求低40%。

　　在數十種使用了各種不同的添加（jiā）劑（jì）組合的錫鉍合金中（zhōng）發（fā）現，HRL1的混合焊點與同（tóng）質焊點的跌落衝擊性能最好，如（rú）圖3所示。Weibull分布曲（qǔ）線顯示（shì），HRL1合金/SAC305混合焊點的跌落衝擊特性壽（shòu）命（mìng）是在BGA84中SAC305混合（hé）焊點的82.7%。LGA84采用一種快速測試方法來評估同質焊點的跌落衝擊行（háng）為。

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

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

　　熱可靠性測試使（shǐ）用一個單區空氣-空氣熱衝擊腔，樣品在腔中進行溫度從-40°C到+125°C的熱衝擊（jī）循環，在每個溫度下停留10分鍾的熱循環達到（dào）2000次（cì）。根據IPC 9701-A標準中的描述，連續監測元件的電（diàn）阻，把連續五個讀數中電阻增加20%或更（gèng）多的情況定義為失敗。圖4是（shì）在1000/1500/2000次熱循環後的累計失（shī）敗。在現場監（jiān）測（cè）中，與SAC305焊點進行比較，隻考慮LTS/SAC305混（hún）合焊點。在前1000次循環中沒有觀（guān）察到失敗。1500次循環後，共（gòng）晶（jīng）錫鉍合金的失敗速度相對加快，而直到（dào）2000次循環時HRL1失敗（bài）速度和SAC305的接近（jìn）。 焊（hàn）點評估現場監測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（xī），焊點橫（héng）截麵分析（如果有的話）因為熱循環導致的相應（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（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同質焊點（LGA256、MLF100和芯片（piàn）電阻1206、0805和0201）的例子。考慮到優化的組件和回流的條件，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（de）橫截麵，是1206芯片電阻在2500次熱循環後（hòu）的橫截麵。在1500次熱循環後，共晶SnBi/SAC305混（hún）合焊（hàn）點的退化比HRL1/SAC305混（hún）合（hé）焊點高。對1206芯片電阻進行（háng）單獨的熱循（xún）環測試，焊點的橫（héng）截麵（miàn）表明經過2500次循環（huán）後，HRL1的同質焊點出現一點退化。相比之下，在SnBi合金和SAC305合金中觀察到大量的裂（liè）縫。

　　在這些測試條件和元（yuán）件中，所有三種合金在熱循環後都表現（xiàn）出剪切強度下降（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（yīng）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錫高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（zhí）是10.1 kgf）。

　　總結由於可以在200℃以下回流的高可靠性低溫無鉛焊錫合（hé）金的需求在不斷增長，因此，必須（xū）仔細考慮這類合（hé）金的特性，包括熔融表現、微（wēi）觀結構和（hé）熱機（jī）械性能。針對（duì）本（běn）文討論的封（fēng）裝（zhuāng）和實驗條件，結果總結如下：與抗拉（lā）強度比較高的SnBi合（hé）金相（xiàng）結合（hé）的HRL1焊錫（xī），屈服強度和延展性和SAC305相似。

　　HRL1焊錫可以（yǐ）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（hàn）點），或（huò）者使峰值回來溫度達到（dào）170-175℃，用（yòng）於均質HRL1焊點。

　　HRL1的跌落衝擊性能和熱循環性（xìng）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。