不（bú）斷增加數字化（huà）和更強的連接性（xìng）推動電子產品的小型化、複雜（zá）化、集成化設計。隨著PCB上的元件占位變（biàn）小，封裝尺寸也隨之縮小（xiǎo）。但是，為提高性能尋找設計方案的（de）動力不斷增強。焊點是用電子器件構成組件（jiàn）的（de）基本部分，它提供組件中的電（diàn）氣、熱和機械連（lián）接。因此，焊接材料一直在演進，使（shǐ）這樣的技（jì）術革命能夠實現（xiàn）。

　　在21世紀初，在焊接材料中限製使用鉛促使電子行業廣泛使（shǐ）用無（wú）鉛焊接材料（liào）。從那時起，對具有熱可靠（kào）性與機械可靠性的焊錫合金的需求就（jiù）成為（wéi）開發新焊接材料的最重要的技術驅動（dòng）因素。低溫焊料（LTS）目前正被考慮（lǜ）用於各種組裝需求。這些低溫焊錫有可（kě）能（néng）通過減少熱暴（bào）露來（lái）提高長期可靠性，通過使用低（dī）Tg 的PCB和低（dī）溫兼（jiān）容（róng）元件及它（tā）的碳足跡來（lái）降低（dī）總的材料成本。使用低溫焊錫還被（bèi）認為可以降低能量消耗，減（jiǎn）少BGA封裝與PCB的（de）動態翹曲，提（tí）高組裝成品率（lǜ），降低或消除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題，因為它們可能會導致嚴重（chóng）的焊接缺陷，例如沒有潤濕的（de）開路、焊錫橋（qiáo）連、枕頭效應和非接觸點（diǎn）開路。大量研究表明，這種翹曲的高度取決於回流（liú）溫度，組裝時將（jiāng）焊接溫度保持（chí）在（zài）200°C以下（xià），就可以把翹曲的高度大（dà）幅降低到可接受水（shuǐ）平。

　　下一代LTS合金值得注意的（de）是，隻降低合金的（de）熔點還不足以解決這類技術在可（kě）靠性（xìng）方麵的困難。例如，共晶42Sn58Bi合金會是一種合乎（hū）邏輯的選擇，它的熔點是138°C，但是，它的延（yán）展性比較低，熱疲（pí）勞壽命比較差，不如現在正在（zài）使用的SAC305合金（jīn）。

　　因為這種（zhǒng）合金的富鉍相是易脆的，這（zhè）使共晶（jīng）42Sn58Bi焊錫在高應變速率情況下容易發生脆性斷裂。材料供應商和行業協（xié）會，例如iNEMI正在開發和測試新的低溫合金，以滿足這些要（yào）求。

　　在合金中加（jiā）入（rù）銀是改變共晶（jīng）錫鉍（bì）合金微觀結構和性能的（de）一種（zhǒng）最常用的方法。MacDermid Alpha電子解決方案公司對焊錫（xī）合金（jīn）的廣泛研究沒有止步於此，他們還致力於開發具有（yǒu）更（gèng）高熱可靠性和機械（xiè）可靠（kào）性的低（dī）溫焊錫係列產品。經過證（zhèng）明，SBX02焊錫（含（hán）微量添加劑（jì）X的無銀錫（xī）鉍共晶合金）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（jīn）更（gèng）高。最近，HRL1焊（hàn）錫（一種非共（gòng）晶錫鉍焊錫，含約2 wt.% （重量百分比2 %）的性能添加（jiā）劑）表現出優異的（de）跌落衝擊性能和熱循環性（xìng）能。如（rú）圖（tú）所示（shì），這（zhè）種新的LTS合金把最佳水平的鉍和正確的（de）合金添加劑組合（hé）結合起來，以提高合金的熱可靠性和機械可靠性。

　　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（gāo），然後再進一步評估焊點的熱可靠性和機械可（kě）靠性。使用HRL1錫膏來組裝測試工具的（de）回流溫度曲線如圖1所示。在100-120℃的溫度浸漬（zì）60-90秒（miǎo）。液相線（TAL）以上時間為35到40秒，最高回流溫度為185-190°C。評（píng）估的所有BGA都是SAC305焊錫球。

　　大（dà）塊合金的屬性固溶體強化和沉澱/彌散硬化結合起來，可以（yǐ）提高金屬錫的機械強度。鉍、銦、銻這些元素在錫中的溶解度比較高，在（zài）合（hé）金中形成固溶體，而其他（tā）的元素如（rú）銀和（hé）銅在錫鉍合金中（zhōng）的溶解度比較小，在錫鉍合金中添加少量的這些金（jīn）屬可以提高（gāo）合金的強度。大塊合金的性能（néng）可以提供關於焊點（diǎn）抗機械應力和抗熱疲勞性能的詳細信息，超（chāo）過微觀（guān）結構觀察。

　　表1給出共晶42Sn58Bi、HRL1和SAC305合金的一些關鍵物理（lǐ）性能。高純度42Sn58Bi合金的固相（xiàng）線和液相線（xiàn）溫度相同（共（gòng）晶），大約為（wéi）138°C。根據（jù）錫鉍合金的相圖，鉍含（hán）量（liàng）下降到58 wt.%對應的共晶點以下時，液相線的溫度上升，這種情況取決於合金中添加的微量金屬。在合金（jīn）HRL1的情況（kuàng）中，固相線和液相線的溫度分別是138℃和151℃。另外，HRL1的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合金和HRL1合（hé）金的密度比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（péng）脹係（xì）數（CTE）介於42Sn58Bi和SAC305之間。 在室溫（wēn）下，這兩種錫鉍合（hé）金的（de）極限抗（kàng）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（biǎo）現（xiàn）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（shí）開始變形，並且從測試夾緊裝置中滑落。不（bú）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（lì）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）下進行大塊合金的蠕變測試。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性能的機會。

　　HRL1斷裂前的總時（shí）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（lì）和抗熱應力性（xìng）能。

　　機械可靠（kào）性和熱可靠性便攜設備和手持設備已（yǐ）迅速（sù）成為葡萄视频日常生活的一部分（fèn），因此，抗跌落和抗衝擊性能成（chéng）為在這類設（shè）備中使用的（de）焊錫必須具（jù）備的特性。由於對真實的（de）電子設備進行測試相當麻（má）煩而且（qiě）很昂貴，代用品測試（例如JESD22-B111標準）可以（yǐ）代替真實的電（diàn）子設備。JEDEC的服務條件B（1500 高斯，持續時間0.5 毫秒的半正弦脈衝）可能（néng）是最常見的電路板級跌落衝擊（jī）測試（shì），並且可以供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（jīn）延展性的同時保持合金（jīn）的強度（dù），改善抗跌落衝擊性能，如圖2所示。但是，鉍含量達到40wt%或更低的錫（xī）鉍合金的液（yè）相線溫度高於178°C，回流溫度必須高（gāo）於200°C，這違背了使用（yòng）低溫（wēn）合金代（dài）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（chōng）擊（jī）特性壽（shòu）命（即達到累積故障率 63.2%的時間）提到高到（dào）77%，但（dàn）這樣的性能（néng）仍然比SAC305替換品的要求低（dī）40%。

　　在數十（shí）種使用了（le）各種不同的（de）添（tiān）加劑組合的錫鉍合金中發現，HRL1的混（hún）合焊點與同質焊點的跌落衝（chōng）擊性能最好，如（rú）圖3所（suǒ）示。Weibull分布曲線顯示（shì），HRL1合金（jīn）/SAC305混合焊點的跌落衝擊（jī）特性壽命是在BGA84中SAC305混合焊點的82.7%。LGA84采用一種快速測試方法來評估同質（zhì）焊點的跌落衝（chōng）擊行為。

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

　　在（zài）每一種（zhǒng）情況下，HRL1和SAC305的Weibull曲線都在95%的可信任區間內。同樣值得注意的是，在BGA84中 ，HRL1和SAC305的形狀參（cān）數相同（都是1.27），在 LGA84中（zhōng）也和SAC305幾乎一樣（分別是1.83和1.73）。

　　熱可靠性測試（shì）使用一個單區空氣-空氣熱衝擊腔，樣品在腔（qiāng）中進行溫度從-40°C到+125°C的熱衝擊循環，在每個（gè）溫度下停留10分鍾的熱（rè）循（xún）環達到2000次。根據IPC 9701-A標準中的描述，連續監（jiān）測元件的電阻，把連續五個讀數中電阻增加20%或更多的情況定義為失敗。圖4是在1000/1500/2000次熱循環後的累計失敗。在現場監測（cè）中，與SAC305焊點進行比較，隻考慮LTS/SAC305混合（hé）焊點。在前1000次循（xún）環中沒（méi）有觀（guān）察到失敗。1500次循環（huán）後，共晶錫鉍合金的失敗速度相對加快，而直（zhí）到（dào）2000次循環時HRL1失敗速度和（hé）SAC305的接近。 焊點評估現場監測焊點的電阻（zǔ）提供在熱循環過程中焊點上發生（shēng）變（biàn）化（huà）的是定量信息，焊點橫截麵分析（如果有（yǒu）的話）因（yīn）為熱循環（huán）導致的相應的（de）焊點退（tuì）化提供看（kàn）得見的參考。圖（tú）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。考慮到（dào）優（yōu）化的組件和回流（liú）的條件，並（bìng）結合封裝的尺寸，並沒有（yǒu）觀察到翹曲或焊接缺（quē）陷。

　　在1500次熱循環後焊點的（de）橫（héng）截麵，是1206芯片（piàn）電阻在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（tuì）化比HRL1/SAC305混合焊點高。對1206芯片電阻進行單獨的熱循環測（cè）試，焊點（diǎn）的橫（héng）截麵表明經過2500次循環後（hòu），HRL1的同質（zhì）焊點出現一點退化。相比之下（xià），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，所有三種合金在（zài）熱循環後都表現出剪切強度下降（圖7），但（dàn）HRL1的微觀結構似乎更能承（chéng）受因（yīn）熱循環應變引起的應（yīng）力。在熱循環達到500次時（shí），共晶SnBi和HRL1的剪切強度隻比初（chū）始值10.6和11.2 kgf略為下降，而SAC305的剪（jiǎn）切強（qiáng）度損失（shī）比這兩種（zhǒng）焊錫高8倍。在2000次熱循環後，HRL1的剪切（qiē）強（qiáng）度比初始值（zhí）降低24%，而（ér）共晶SnBi下（xià）降68.4%，SAC305下降81%（初始值是10.1 kgf）。

　　總結由於可以在200℃以下回流（liú）的高可靠性低溫無鉛焊錫合金的需求在不（bú）斷增長（zhǎng），因此，必須仔細考慮這類合金的特性，包括熔融表現、微觀結構（gòu）和熱機械性能。針對本文討論的封裝和實驗條件，結（jié）果總結（jié）如（rú）下：與抗拉強度比較高的SnBi合金相結合的HRL1焊錫，屈服強度和延展性和SAC305相似。

　　HRL1焊錫可以使（shǐ）峰（fēng）值回（huí）流溫度低到185-190°C，使用SnAgCu焊錫球組裝的BGA封裝（即與SAC的（de）混合焊點），或者（zhě）使峰值回來溫度（dù）達到170-175℃，用於均質HRL1焊點。

　　HRL1的跌落（luò）衝擊性能和熱循環性能使它可以作為測試工具和實驗條件，以及許（xǔ）多其他應用中使用。