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

　　在21世紀初，在焊接材料中限制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求就成為開發新焊接材料的最重要的技術驅動因素。低溫焊料（LTS）目前正被考慮用于各種組裝需求。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的焊接缺陷，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于回流溫度，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。

　　下一代LTS合金值得注意的是，只降低合金的熔點還不足以解決這類技術在可靠性方面的困難。例如，共晶42Sn58Bi合金會是一種合乎邏輯的選擇，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脆性斷裂。材料供應商和行業協會，例如iNEMI正在開發和測試新的低溫合金，以滿足這些要求。

　　在合金中加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電子解決方案公司對焊錫合金的廣泛研究沒有止步于此，他們還致力于開發具有更高熱可靠性和機械可靠性的低溫焊錫系列產品。經過證明，SBX02焊錫（含微量添加劑X的無銀錫鉍共晶合金）的抗機械沖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（一種非共晶錫鉍焊錫，含約2 wt.% （重量百分比2 %）的性能添加劑）表現出優異的跌落沖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添加劑組合結合起來，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，使用適量的焊膏助焊劑混合成錫膏，然后再進一步評估焊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。

　　大塊合金的屬性固溶體強化和沉淀/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解度比較高，在合金中形成固溶體，而其他的元素如銀和銅在錫鉍合金中的溶解度比較小，在錫鉍合金中添加少量的這些金屬可以提高合金的強度。大塊合金的性能可以提供關于焊點抗機械應力和抗熱疲勞性能的詳細信息，超過微觀結構觀察。

　　表1給出共晶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線溫度相同（共晶），大約為138°C。根據錫鉍合金的相圖，鉍含量下降到58 wt.%對應的共晶點以下時，液相線的溫度上升，這種情況取決于合金中添加的微量金屬。在合金HRL1的情況中，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合金的密度比SAC305的密度大，因為鉍的密度比錫大得多。HRL1合金的線性熱膨脹系數（CTE）介于42Sn58Bi和SAC305之間。 在室溫下，這兩種錫鉍合金的極限抗拉強度（UTS）都明顯要高于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，的高屈服強度表現出易脆性。無法得到在75°C下的拉伸數據，這是由于拉伸樣品在這個溫度時開始變形，并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斷裂前的總時間（也稱為蠕變強度）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迅速成為我們日常生活的一部分，因此，抗跌落和抗沖擊性能成為在這類設備中使用的焊錫必須具備的特性。由于對真實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，持續時間0.5 毫秒的半正弦脈沖）可能是最常見的電路板級跌落沖擊測試，并且可以供后續測試的測試結果參考。

　　將鉍含量降低到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，改善抗跌落沖擊性能，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于178°C，回流溫度必須高于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.%下降到可以將跌落沖擊特性壽命（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沖擊性能最好，如圖3所示。Weibull分布曲線顯示，HRL1合金/SAC305混合焊點的跌落沖擊特性壽命是在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焊點的跌落沖擊行為。

　　在這種情況下，HRL1合金的跌落沖擊特性壽命略高于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-空氣熱沖擊腔，樣品在腔中進行溫度從-40°C到+125°C的熱沖擊循環，在每個溫度下停留10分鐘的熱循環達到2000次。根據IPC 9701-A標準中的描述，連續監測元件的電阻，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次熱循環后的累計失敗。在現場監測中，與SAC305焊點進行比較，只考慮LTS/SAC305混合焊點。在前1000次循環中沒有觀察到失敗。1500次循環后，共晶錫鉍合金的失敗速度相對加快，而直到2000次循環時HRL1失敗速度和SAC305的接近。 焊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，焊點橫截面分析（如果有的話）因為熱循環導致的相應的焊點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和芯片電阻1206、0805和0201）的例子。考慮到優化的組件和回流的條件，并結合封裝的尺寸，并沒有觀察到翹曲或焊接缺陷。

　　在1500次熱循環后焊點的橫截面，是1206芯片電阻在2500次熱循環后的橫截面。在1500次熱循環后，共晶SnBi/SAC305混合焊點的退化比HRL1/SAC305混合焊點高。對1206芯片電阻進行單獨的熱循環測試，焊點的橫截面表明經過2500次循環后，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，所有三種合金在熱循環后都表現出剪切強度下降（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力。在熱循環達到500次時，共晶SnBi和HRL1的剪切強度只比初始值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次熱循環后，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%（初始值是10.1 kgf）。

　　總結由于可以在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，因此，必須仔細考慮這類合金的特性，包括熔融表現、微觀結構和熱機械性能。針對本文討論的封裝和實驗條件，結果總結如下：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的混合焊點），或者使峰值回來溫度達到170-175℃，用于均質HRL1焊點。

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