不斷增加（jiā）數字化和更強的連接性（xìng）推（tuī）動電子產品（pǐn）的小型化、複雜化、集成（chéng）化設計。隨著PCB上的元件占位變小，封裝尺寸也隨之縮小。但是，為（wéi）提高性能尋（xún）找設計方案（àn）的動力不斷增強。焊點是用電子器件構成組件的基本部分，它提供組件（jiàn）中的電氣、熱和機械連接。因此，焊（hàn）接材料一直在演進，使這樣的技術革命能夠實現。

　　在21世紀初，在焊接材料中限（xiàn）製使用鉛促使電子行業廣泛使用無鉛焊接材（cái）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求就成為開發新焊接（jiē）材料的（de）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（dī）溫焊錫有可能（néng）通過減少（shǎo）熱暴露來提高長期可靠性，通過使用低Tg 的PCB和低溫（wēn）兼容元件及它的碳足跡來降低總的材料成（chéng）本。使用低溫（wēn）焊錫還被認為可以降低能量消耗，減少BGA封裝與（yǔ）PCB的動態翹曲，提高（gāo）組裝成（chéng）品率，降低或消除（chú）沒有潤濕的開路和枕頭效應缺陷。的確，動態翹曲是PoP底部和PoP內（nèi）存（cún）封裝的一個嚴重問題，因為它們可能（néng）會導致嚴重的焊接（jiē）缺陷，例如沒（méi）有（yǒu）潤濕（shī）的開（kāi）路、焊錫橋連、枕頭效應和非接觸點開路（lù）。大量研究表明，這種翹曲的高度取決（jué）於回流溫度，組裝時將焊接溫（wēn）度保（bǎo）持在200°C以下，就可以把（bǎ）翹曲的（de）高度大幅降低到可接受水平。

　　下一代LTS合金值得注意的（de）是，隻（zhī）降低合金的熔點還不足（zú）以解決這類技術在可靠性方麵的困難。例如，共晶（jīng）42Sn58Bi合金會是一種（zhǒng）合乎邏輯的選擇，它的（de）熔點是138°C，但是，它的延展性比較（jiào）低（dī），熱疲勞壽命比較差，不（bú）如（rú）現（xiàn）在正在使用（yòng）的SAC305合金。

　　因為這種合金的富鉍（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（fā）生脆性斷裂。材料供應（yīng）商和行業協會，例如iNEMI正在開發和測試新的低溫合金，以滿足這些要求（qiú）。

　　在合金中加入銀是改變共晶錫鉍合金微觀（guān）結構和性能的一種最常用的方法。MacDermid Alpha電子解決方案公司對焊（hàn）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（kě）靠性的低溫焊錫係列產品。經過證明，SBX02焊錫（含微量添加劑X的無（wú）銀錫鉍共（gòng）晶合金）的抗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，HRL1焊錫（一種（zhǒng）非（fēi）共（gòng）晶錫鉍焊錫，含約2 wt.% （重量百分（fèn）比2 %）的性能添加劑）表（biǎo）現出優（yōu）異的跌落衝擊性能和熱循環性能。如圖所示，這種新的LTS合金把最佳水平的鉍和正確的合金（jīn）添加劑組合結合起來，以提（tí）高合金（jīn）的熱可靠性和機械可靠性。

　　LTS錫膏與組裝把選定的（de）合金加工成IPC四（sì）型粉末，使用適量的焊膏助焊劑混合成錫膏，然後再進一步評估焊（hàn）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（de）回（huí）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（zuì）高回流溫度為185-190°C。評估的所有（yǒu）BGA都（dōu）是（shì）SAC305焊錫球。

　　大塊合金的屬（shǔ）性固溶（róng）體強化和（hé）沉澱/彌散硬化（huà）結合起來，可以提高金屬錫（xī）的機械強度。鉍（bì）、銦（yīn）、銻這些（xiē）元素在錫中的溶解度比較高，在合金中形（xíng）成固溶體，而其他的元素如銀和銅在錫鉍合（hé）金中的溶解度比較小，在錫鉍合金中添加少量的（de）這些金屬可以提高合金的強度。大（dà）塊合（hé）金的性能（néng）可以（yǐ）提供關於焊點抗機械應力（lì）和抗熱疲勞性能的詳細信息，超過微觀結構觀（guān）察。

　　表1給出共晶42Sn58Bi、HRL1和SAC305合（hé）金的一（yī）些關鍵物理性能。高純度42Sn58Bi合金的固相線和液相線溫（wēn）度相同（共晶），大（dà）約為138°C。根據錫（xī）鉍合金的（de）相圖，鉍含量（liàng）下降到58 wt.%對（duì）應的共晶點以下時，液（yè）相線的溫度上升，這種（zhǒng）情（qíng）況（kuàng）取決於合金中（zhōng）添加的微量金屬。在合金（jīn）HRL1的情況中，固相線和（hé）液相線的溫度分別是138℃和（hé）151℃。另外，HRL1的DSC曲線表明，在139°C時，79.7%的（de）合金（jīn）轉化為液相；在144°C時（shí）是99%。42Sn58Bi合金和HRL1合金的密度比SAC305的密度大，因（yīn）為鉍（bì）的（de）密度比錫大得多。HRL1合金的線（xiàn）性熱膨脹係數（shù）（CTE）介於42Sn58Bi和SAC305之（zhī）間。 在室溫下，這兩種錫鉍合金的極限抗拉強度（UTS）都明顯要（yào）高於SAC305合金。但是，HRL1合金的屈服強度和延展性與（yǔ）SAC305相似。相比之下，的高屈服強度表現出易（yì）脆性。無法得到在75°C下（xià）的拉（lā）伸數據，這是由（yóu）於拉伸樣品在這個溫度時開始變形，並且從測試（shì）夾（jiá）緊裝置中滑落。不過，在（zài）75℃時，HRL1的（de）抗拉強度（dù）和屈服（fú）強度仍然和SAC305的性能相當，這個有力的跡象表（biǎo）明HRL1改善了機（jī）械強度（dù）和熱強度。

　　在溫度80°C使用恒定負載（zǎi）（150 牛頓）下進行大塊合金的（de）蠕變測試。在進行（háng）任何組（zǔ）裝之（zhī）前，進行這種類型的測試是（shì）測定焊點熱機械性能的機會。

　　HRL1斷（duàn）裂前的總時間（也稱（chēng）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（hé）抗（kàng）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迅速成為葡萄视频日（rì）常生活的一部分，因此，抗跌落和抗衝擊性（xìng）能成為在這（zhè）類設備中（zhōng）使（shǐ）用（yòng）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（má）煩而且很昂貴，代（dài）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（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（qiě）可以供後續測試的測試結果（guǒ）參考。

　　將鉍含量（liàng）降低到58 wt.%以下可以在有效提高含鉍合金延展性的同時保持合金的強度，改善抗跌落衝擊性能，如圖2所示。但是，鉍含量（liàng）達到40wt%或更低的錫鉍合金的液相（xiàng）線溫度高於178°C，回流溫度必須高於200°C，這違背了使（shǐ）用低溫合金代替SAC合金的目的。此外，將鉍含量（liàng）從58 t.%下降到（dào）可以將跌落衝（chōng）擊特（tè）性壽命（即達到累（lèi）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（tì）換品的要求低40%。

　　在數十種使用了各種不同的添加劑組合的錫（xī）鉍合金中（zhōng）發（fā）現，HRL1的混合焊點與同（tóng）質（zhì）焊點的跌落衝擊性（xìng）能（néng）最好（hǎo），如圖（tú）3所示。Weibull分布曲（qǔ）線顯示，HRL1合金/SAC305混（hún）合焊（hàn）點的跌落衝擊特性壽命是在BGA84中SAC305混（hún）合焊點的82.7%。LGA84采（cǎi）用一種快速測試方法來評（píng）估同質焊點的跌落（luò）衝擊行為。

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

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

　　熱可靠性測試使用一個單區空氣-空氣熱衝擊腔，樣品在腔中進行（háng）溫度從-40°C到+125°C的熱（rè）衝擊（jī）循環，在（zài）每個溫度下停留10分鍾的熱循環達到2000次（cì）。根據IPC 9701-A標準中（zhōng）的描述，連續監（jiān）測元件（jiàn）的電阻，把（bǎ）連（lián）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是在（zài）1000/1500/2000次熱循環後（hòu）的累計失敗。在現場監測中，與SAC305焊點進行比較，隻考慮LTS/SAC305混合焊點。在前1000次循環中沒（méi）有觀察（chá）到失敗。1500次循環後，共晶錫鉍合金的失敗速度相對加快，而直到2000次循環時（shí）HRL1失敗速（sù）度和SAC305的接（jiē）近。 焊點評估現場監測焊點的（de）電阻提供在熱循環過程（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（wéi）熱循環導致的相應的（de）焊點退化提供（gòng）看得（dé）見的（de）參考。圖（tú）5是剛剛（gāng）焊接的一些HRL1/SAC305混合焊點（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同質焊點（diǎn）（LGA256、MLF100和芯片（piàn）電阻1206、0805和（hé）0201）的例子。考慮到優化（huà）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（qǔ）或焊接缺（quē）陷。

　　在1500次熱循環後焊點（diǎn）的橫截麵，是1206芯片電阻在（zài）2500次熱循環後的橫截麵。在1500次熱循環後，共晶SnBi/SAC305混合焊點的退化（huà）比HRL1/SAC305混合焊（hàn）點高。對1206芯片電阻進行單獨的熱循環測試，焊點的（de）橫截麵表明經過2500次循環後，HRL1的同質（zhì）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縫。

　　在這些測試條件和元件（jiàn）中，所有三種合金在熱循環（huán）後都表現出剪切強度下降（圖7），但HRL1的微觀結構（gòu）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的剪切強度隻比初始值10.6和（hé）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。在2000次熱循環後，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81%（初始值是10.1 kgf）。

　　總結由於可以在200℃以下回（huí）流的高可（kě）靠性低溫無鉛焊錫合金的需求在不斷增長，因此，必須仔細考慮這類合金（jīn）的特性，包括熔融表現、微觀結構和熱機械性能。針（zhēn）對本文討論的封裝和實驗條件，結果總結如（rú）下：與抗拉強度比較高的SnBi合（hé）金相結合的（de）HRL1焊錫，屈服強度（dù）和延展性和SAC305相似。

　　HRL1焊錫可以使峰值（zhí）回流溫度低到185-190°C，使用SnAgCu焊錫球組裝的BGA封裝（即與（yǔ）SAC的混合焊點（diǎn）），或者使峰值回來溫度（dù）達到170-175℃，用於均質HRL1焊點。

　　HRL1的跌落（luò）衝擊（jī）性能（néng）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。