不斷增加數字化和更強的連接性推動電子產品的（de）小型化、複雜化、集（jí）成化設計。隨著PCB上（shàng）的元件（jiàn）占位變小，封裝尺寸也隨之縮小。但是，為提高性能（néng）尋找設計方案的動力不斷增強。焊點是用電子器件構成（chéng）組件的基本部分，它提供（gòng）組件中的電氣、熱和機械連接。因此，焊接材料一直在演（yǎn）進，使這（zhè）樣的技術革命能夠實現。

　　在21世紀初，在焊接材料中（zhōng）限製使用鉛促使電子行業廣泛使用無（wú）鉛焊接材料。從那（nà）時（shí）起，對具有熱可靠性（xìng）與機械可靠性的焊錫（xī）合金的需求就成為（wéi）開（kāi）發（fā）新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（bèi）考慮（lǜ）用於各種組裝（zhuāng）需求。這些低溫焊錫有（yǒu）可（kě）能（néng）通過減少熱暴露來提高長期可靠性，通過（guò）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本。使用低溫焊錫還被認為可以降（jiàng）低能量消耗，減少BGA封裝與PCB的動態翹曲，提高組裝成品率，降（jiàng）低或（huò）消（xiāo）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內存封裝的一個嚴重問（wèn）題，因（yīn）為它們可能會導致嚴重的焊（hàn）接缺陷，例如沒有（yǒu）潤濕的（de）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（qǔ）決於回流溫度，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（píng）。

　　下一代LTS合金值得注意的是，隻降（jiàng）低合金的熔點還不足以（yǐ）解決（jué）這類技術在可靠性方麵（miàn）的困難。例如（rú），共晶42Sn58Bi合金會是一種合乎邏輯的選擇（zé），它的熔點是138°C，但是（shì），它的延展性比較低，熱疲勞壽命（mìng）比較差，不如現在正在使用的SAC305合金。

　　因為這種合金（jīn）的富鉍相是易脆的，這使共（gòng）晶42Sn58Bi焊錫在高應變速率（lǜ）情況下容易發生（shēng）脆性斷裂。材料供應商和行業協會（huì），例如iNEMI正在開發和測試新的低溫（wēn）合金，以滿足這些要求（qiú）。

　　在合金中加入銀是（shì）改變共晶錫鉍合金微觀結構和性能（néng）的一種（zhǒng）最常（cháng）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（bù）於此，他們還致力於開發具有更高熱（rè）可靠性和機械（xiè）可（kě）靠（kào）性的（de）低溫焊錫係列產品。經過證明，SBX02焊錫（含微量添加劑X的無銀錫（xī）鉍共晶合金（jīn））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合金更（gèng）高。最近，HRL1焊錫（一種非共晶錫鉍焊錫，含約（yuē）2 wt.% （重量百分比2 %）的性（xìng）能添加劑）表現（xiàn）出優異的跌落衝擊性能和熱循環（huán）性能。如圖所示（shì），這種新的LTS合金（jīn）把最（zuì）佳水平的鉍和正確的合金添加劑（jì）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，使用適量的焊膏助焊（hàn）劑混合成錫膏，然（rán）後（hòu）再進一步（bù）評估焊點的熱（rè）可（kě）靠性（xìng）和（hé）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（xiàn）（TAL）以上（shàng）時間（jiān）為35到40秒，最高（gāo）回流溫度為185-190°C。評估的所有（yǒu）BGA都是SAC305焊錫球。

　　大塊（kuài）合金的屬性固溶體強化和沉澱/彌散硬化結合起來，可（kě）以提高金（jīn）屬錫的機械強度。鉍、銦、銻這些元素在錫中的溶解度（dù）比較高，在合金中（zhōng）形成（chéng）固溶體，而其他的元素如銀和銅在錫鉍（bì）合金中的溶解度（dù）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度。大塊合（hé）金的性能可以（yǐ）提供（gòng）關於焊點抗機械應力（lì）和抗熱疲勞性能的詳細信息，超過微觀結構觀察。

　　表1給出共（gòng）晶42Sn58Bi、HRL1和（hé）SAC305合金的一些關鍵物理（lǐ）性能。高純度42Sn58Bi合金的固相線和（hé）液相線溫度（dù）相（xiàng）同（共晶），大約為138°C。根據錫鉍合金的相圖，鉍含量下降到58 wt.%對應的共晶點以（yǐ）下時，液相線的溫度上升，這種情況取（qǔ）決於合金（jīn）中添加的微量金屬。在合金（jīn）HRL1的情況中，固相線和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%的合金轉化為液（yè）相；在144°C時是99%。42Sn58Bi合金和HRL1合金的密度比SAC305的密度大，因為鉍的密（mì）度比錫大得多。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（liǎng）種錫鉍合金的極限抗拉強（qiáng）度（UTS）都（dōu）明顯要高於SAC305合金（jīn）。但是，HRL1合金的屈服強（qiáng）度和延展性與SAC305相似。相比之下，的高屈服強度表現出易脆性（xìng）。無法（fǎ）得到在（zài）75°C下的（de）拉伸數據，這是由於拉（lā）伸樣品在這個溫度時開始變形，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仍然和SAC305的性能相當，這個有力的跡象表明HRL1改善了機械強度和熱強度。

　　在溫度80°C使用恒定負載（150 牛頓）下進行（háng）大塊合金（jīn）的蠕變測試。在進行任何組裝之前，進（jìn）行（háng）這種（zhǒng）類型的測試是測定焊點熱機械（xiè）性能的機會。

　　HRL1斷裂（liè）前的總時間（也稱為蠕變強度）比共晶42Sn58Bi的高（gāo）出30%，這進一步證明HRL1提高了抗機械應力和（hé）抗熱應力（lì）性能。

　　機（jī）械可靠性和（hé）熱（rè）可（kě）靠性便攜設備和手持設備已迅速成為葡萄视频日常生活的一部分，因此，抗跌落和（hé）抗衝擊性能成為在這類設備中使用（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煩而（ér）且很昂貴，代用（yòng）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（jiàn）B（1500 高斯，持續（xù）時間0.5 毫秒（miǎo）的半正弦脈衝）可能是最常見（jiàn）的電路板級跌落衝擊測試，並（bìng）且可以供後續測試的測試結果（guǒ）參（cān）考。

　　將鉍（bì）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時保持合金的強度，改善抗跌落衝（chōng）擊（jī）性（xìng）能，如圖2所（suǒ）示。但是，鉍含量達到40wt%或更低的錫鉍合金的液（yè）相線溫度高於178°C，回流溫度必須高於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替換品的要求低40%。

　　在數十（shí）種使用了各種不同的添加劑組合的錫鉍合金中發現，HRL1的混合焊點與同質焊點的跌落衝擊性能最好，如（rú）圖3所示。Weibull分布曲線顯示，HRL1合金/SAC305混合焊點的跌落衝擊特性壽命是（shì）在BGA84中SAC305混合焊（hàn）點的（de）82.7%。LGA84采用（yòng）一種快速測試方法來評估同質焊點的跌落衝擊行為。

　　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（hé）SAC305的Weibull曲線都在95%的可信任區間內。同樣值得（dé）注意的是，在BGA84中 ，HRL1和SAC305的形狀參數相（xiàng）同（都是1.27），在（zài） 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，樣品在腔中進行溫度從-40°C到+125°C的熱衝（chōng）擊循環，在每（měi）個溫度下停留10分鍾的（de）熱（rè）循環達到2000次。根據IPC 9701-A標準中（zhōng）的描述，連續監測元件的電阻，把連續五個（gè）讀數中電（diàn）阻增加20%或更多的情況定義為失敗。圖4是（shì）在1000/1500/2000次（cì）熱循環（huán）後的累（lèi）計失敗。在現（xiàn）場監測中，與SAC305焊點進行比（bǐ）較，隻考慮LTS/SAC305混合焊點。在前1000次循環中沒有觀（guān）察到失敗。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HRL1失敗（bài）速度和SAC305的接近。 焊點評（píng）估現場監（jiān）測焊點的電阻提供在熱循環過程（chéng）中焊點上發生變化（huà）的（de）是定量信息，焊點橫截麵（miàn）分析（如（rú）果（guǒ）有的話）因為熱循環導致的相應的焊點退化提供看得見（jiàn）的參考（kǎo）。圖5是剛剛焊接的一（yī）些（xiē）HRL1/SAC305混合焊（hàn）點（BGA432、BGA208和BGA84）和HRL1同（tóng）質焊點（LGA256、MLF100和芯（xīn）片電阻（zǔ）1206、0805和（hé）0201）的（de）例子。考慮到優化的組件和回流的（de）條件，並結合封裝的尺寸，並沒有（yǒu）觀察到翹曲或焊接缺陷。

　　在1500次熱循環後焊點的橫截麵，是1206芯片電阻在2500次熱循（xún）環後的橫截麵。在1500次熱循環後（hòu），共晶SnBi/SAC305混合焊點的退化比（bǐ）HRL1/SAC305混合焊點高。對1206芯片（piàn）電阻進行單獨的熱循環測試，焊點的橫截麵表明經過2500次循環後，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縫。

　　在這些測試條件和元件中，所有（yǒu）三種合金在熱循環後都表現出剪切強度下（xià）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力。在熱循環達到500次時，共晶SnBi和HRL1的剪切強（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（de）剪（jiǎn）切強度比初（chū）始（shǐ）值降低24%，而共晶SnBi下降68.4%，SAC305下（xià）降81%（初始（shǐ）值是10.1 kgf）。

　　總結由於可以在200℃以下回流的（de）高可靠性低溫無鉛（qiān）焊錫合金的需求在不斷增長，因此，必須仔細考慮這類合金的特性，包括熔融表現、微觀結（jié）構和（hé）熱機械性能。針對本文討論的（de）封裝和實（shí）驗條件，結果總結如下：與抗（kàng）拉強度比較高的SnBi合金相（xiàng）結合的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（liú）溫度低（dī）到185-190°C，使用SnAgCu焊錫球組裝的BGA封裝（即與SAC的混合焊點），或者使峰值回來溫度達到170-175℃，用於均質（zhì）HRL1焊點。

　　HRL1的跌落衝擊性（xìng）能和熱（rè）循（xún）環性能（néng）使它可（kě）以作為測試工具和實驗條件，以及許多其他（tā）應用中使用。