不斷（duàn）增加數（shù）字化和更（gèng）強的連接（jiē）性推動電子產品的小（xiǎo）型化、複雜化、集成化設計。隨著PCB上的元件占（zhàn）位變小，封裝尺寸也隨之縮小。但是，為提高性能尋找設計方案的動力不（bú）斷增強。焊點（diǎn）是用電子器件構成組件的（de）基本部分，它提供組件中（zhōng）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（de）技術革命（mìng）能夠實現。

　　在（zài）21世紀初（chū），在焊接（jiē）材（cái）料中限（xiàn）製使用鉛促使電子行業廣泛使用無鉛焊接材料。從那時起，對具有熱可靠性與機械可靠性的焊錫合金的需（xū）求就成為開發新焊接材料的最重要的（de）技術（shù）驅動因素。低溫焊料（LTS）目前正被考（kǎo）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期可靠性，通過使用低Tg 的PCB和低溫兼容元（yuán）件（jiàn）及它的碳足跡來降低總的材料成（chéng）本。使用低溫焊錫還（hái）被認為可以降（jiàng）低能量（liàng）消耗，減少BGA封裝與PCB的動態翹曲（qǔ），提高（gāo）組裝成品率，降低或消除（chú）沒有潤濕的開路和枕（zhěn）頭效（xiào）應缺陷。的確，動態翹曲（qǔ）是PoP底（dǐ）部（bù）和（hé）PoP內存封裝的一（yī）個（gè）嚴重問題，因為（wéi）它們（men）可（kě）能會導致嚴重的焊接缺陷，例如沒（méi）有潤濕（shī）的開路、焊錫橋連、枕頭效應和非接觸點開路。大（dà）量研究表明，這種翹曲的高度取決於回流（liú）溫度，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低到可接受水平。

　　下一代LTS合金值得注意的是，隻降低合金的熔點還不足以解決這類技術（shù）在可靠（kào）性方麵的困難。例如（rú），共晶42Sn58Bi合金會是一種合（hé）乎邏輯的選擇，它的熔點是138°C，但是，它的延展性比較低，熱疲勞壽命比較差，不如現在（zài）正在使用的SAC305合金。

　　因為這種（zhǒng）合金的富鉍（bì）相是易脆的，這使共晶42Sn58Bi焊錫在（zài）高應變速率情況下容易（yì）發生脆性斷裂。材料供應商（shāng）和行業（yè）協（xié）會，例如iNEMI正在開（kāi）發和測試新的低溫合金，以滿足這些要求。

　　在合金中加（jiā）入銀是改變共晶錫鉍合金微觀結構和性能的一種最常用的方法。MacDermid Alpha電子（zǐ）解決方案公司對焊錫合金的（de）廣泛研究沒有止步於此，他們還致力於開發具有更（gèng）高（gāo）熱可靠性和機械可靠性的低溫焊錫係列（liè）產品。經過證明，SBX02焊錫（xī）（含微（wēi）量添加劑X的無銀（yín）錫鉍共晶合金）的抗機械衝擊（jī）性能和熱循環性能，要比一般已知的42Sn58Bi和2Sn57.6Bi0.4Ag合（hé）金更高。最近，HRL1焊錫（一種非共晶錫鉍（bì）焊錫，含（hán）約2 wt.% （重（chóng）量百分比2 %）的性能添加劑）表現出優異（yì）的（de）跌落衝擊性能和熱循環性能。如圖所（suǒ）示，這種新的LTS合金把最佳水平的鉍和正確的（de）合金添加劑組（zǔ）合結（jié）合起來（lái），以（yǐ）提高（gāo）合金的熱可靠性和（hé）機械可靠性。

　　LTS錫膏與組裝把選定的合金加工成IPC四型（xíng）粉末，使用適量的焊膏（gāo）助焊劑混合成錫膏，然（rán）後再進一步評（píng）估焊點（diǎn）的熱可（kě）靠性和機械可靠性。使用HRL1錫膏來組裝測（cè）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）以上時間為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（róng）體強化和沉澱/彌散（sàn）硬化結合起來，可以提高（gāo）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（zài）合金中形成固（gù）溶體，而其他的（de）元（yuán）素如銀和銅在錫鉍合金中的溶解度比較小，在錫鉍合金中（zhōng）添加少量的這些金屬可以提高合金的強度。大（dà）塊合金的（de）性能可以提供關於（yú）焊點抗機械應力和（hé）抗熱疲（pí）勞性能的詳細信息，超過微觀結構觀察。

　　表1給（gěi）出共晶（jīng）42Sn58Bi、HRL1和SAC305合金的一些關鍵物理性能。高純度42Sn58Bi合金的固相線和液相（xiàng）線溫度相同（共晶），大約為（wéi）138°C。根據錫鉍合金的相圖，鉍含量下降到58 wt.%對應的共（gòng）晶點以（yǐ）下時，液相線的溫度上升，這種情況取決於合金中（zhōng）添加的微量金屬。在合金HRL1的情況中，固相線和液相線的（de）溫度分（fèn）別是138℃和151℃。另外，HRL1的DSC曲線表（biǎo）明，在139°C時，79.7%的合（hé）金轉化（huà）為液（yè）相；在144°C時是99%。42Sn58Bi合金和HRL1合金的密度比SAC305的密度大（dà），因為鉍的密度比錫大得（dé）多。HRL1合金的線性熱膨（péng）脹係數（CTE）介於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（yú）SAC305合金。但是，HRL1合金的屈服強度和延展性與SAC305相似。相比之下，的高屈服強度（dù）表現出易脆性（xìng）。無法得（dé）到在75°C下的拉伸數（shù）據，這是由於拉伸樣品在這個溫（wēn）度時開始變形，並且從測試（shì）夾緊裝置中滑（huá）落。不（bú）過，在75℃時，HRL1的（de）抗拉強度和屈（qū）服強度仍然和SAC305的性能相當，這（zhè）個有力的跡象表明HRL1改善（shàn）了機（jī）械強度和熱強度。

　　在溫度80°C使用恒定負載（150 牛頓）下進行大塊合金的蠕（rú）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（hàn）點熱機械性能的機會。

　　HRL1斷裂前的總時間（也稱為（wéi）蠕變（biàn）強（qiáng）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熱應力（lì）性能。

　　機械可靠性和熱可靠性便攜設備和手（shǒu）持設備已迅速成為葡萄视频日常生活的一部（bù）分，因此（cǐ），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（zhēn）實（shí）的電子設備進行測試相當麻煩而且很昂貴，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（shí）間0.5 毫秒的半正弦脈衝）可能是最常見的電路板（bǎn）級跌落衝擊測試，並且（qiě）可以供（gòng）後續測試的測試結果參考。

　　將鉍含量降低到58 wt.%以下可（kě）以在有效提高含鉍合金延展性的同時保持合金的（de）強度，改善抗（kàng）跌落衝擊性能，如圖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（liú）溫度必須高於200°C，這（zhè）違背了使（shǐ）用（yòng）低溫合金代替SAC合金（jīn）的目的。此外（wài），將鉍含量從58 t.%下降到可以將跌（diē）落衝擊（jī）特性壽命（即達到（dào）累積故障率（lǜ） 63.2%的時間）提（tí）到高到77%，但這樣的性能仍然比SAC305替換品的要求低40%。

　　在數十種使用了各種不（bú）同的添加劑組合的錫鉍合金（jīn）中發現，HRL1的混合焊點與同質焊點（diǎn）的跌落衝擊性能最好，如圖3所（suǒ）示。Weibull分布曲線顯示，HRL1合金/SAC305混合焊點的跌落（luò）衝擊特性壽命（mìng）是在BGA84中SAC305混合焊點的82.7%。LGA84采用一種快速測試（shì）方法來評估同質焊點的跌（diē）落衝擊行為。

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

　　在每一種情（qíng）況下，HRL1和SAC305的Weibull曲線都在（zài）95%的可信任區間內。同（tóng）樣（yàng）值得注（zhù）意的是，在（zài）BGA84中（zhōng） ，HRL1和SAC305的形狀參數相同（都是1.27），在 LGA84中也和SAC305幾乎一樣（分別是（shì）1.83和1.73）。

　　熱可（kě）靠性測試使用一個（gè）單（dān）區空氣-空氣（qì）熱衝擊腔，樣品在（zài）腔（qiāng）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（tíng）留10分鍾的熱循環達到2000次。根據IPC 9701-A標（biāo）準中的描述，連續監測元件的電阻，把連續五個讀數中電（diàn）阻增加20%或更多的情況定義為失敗。圖（tú）4是在1000/1500/2000次熱循環後的累（lèi）計失敗。在現場監測（cè）中，與SAC305焊點進行比較，隻考慮（lǜ）LTS/SAC305混合焊點。在前1000次循環中沒有觀察到（dào）失敗。1500次循（xún）環後，共晶錫鉍合金的失敗（bài）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（jìn）。 焊點評（píng）估現場監測焊（hàn）點的電阻（zǔ）提供在熱循環過程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（huà））因為熱循環導致的相應的焊點退化提供看得見（jiàn）的參考。圖5是剛剛焊（hàn）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。考（kǎo）慮到優化（huà）的組（zǔ）件和回流的條件，並結合封裝的尺寸，並沒有觀察到（dào）翹曲（qǔ）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次熱循環後的（de）橫截麵。在1500次熱（rè）循環後，共晶SnBi/SAC305混合焊點的退（tuì）化比HRL1/SAC305混（hún）合焊（hàn）點高。對1206芯片電阻進行單（dān）獨的熱循環測試，焊點的橫截麵表明經過2500次循環後，HRL1的（de）同質焊點（diǎn）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縫。

　　在這些測試條件和元件中（zhōng），所有三種合金在熱循環後都表現出剪切強度下降（圖7），但HRL1的微觀結構似乎更（gèng）能承受因熱循環應（yīng）變引起的應力（lì）。在熱循環達到500次（cì）時（shí），共晶SnBi和HRL1的剪切強度（dù）隻比初始值10.6和11.2 kgf略為下降，而SAC305的（de）剪切強度損失比這兩種焊錫（xī）高8倍（bèi）。在2000次（cì）熱循環後，HRL1的剪切強度（dù）比初始值降低24%，而共晶SnBi下降68.4%，SAC305下降（jiàng）81%（初始值是10.1 kgf）。

　　總結（jié）由於可（kě）以在200℃以下回流的高可靠性低溫無鉛焊錫合金的需求在不斷增長（zhǎng），因此，必須仔細考慮（lǜ）這類合金的特性，包括熔融表現、微觀結構和熱機械性（xìng）能。針對本文討論的封裝和實驗條件，結果總結如下：與（yǔ）抗拉強度比（bǐ）較高的SnBi合金（jīn）相結合的HRL1焊錫，屈服強度和延展性（xìng）和SAC305相似。

　　HRL1焊錫可（kě）以使峰值回流溫度低到185-190°C，使用SnAgCu焊錫球組（zǔ）裝的BGA封裝（即與SAC的混合（hé）焊點），或者使峰值回來溫度達到170-175℃，用於均質HRL1焊（hàn）點（diǎn）。

　　HRL1的跌落衝（chōng）擊性能和熱循環性能使（shǐ）它可以作（zuò）為測試工具和實驗（yàn）條件，以及許多（duō）其他應用中使用。