最近于伊利诺伊州Rosemont举办的SMTA国际会议上，一个吸引了业内大量关注的话题是低温焊料（low-temperature solder ，简称为LTS）在电路板上的可靠性。LTS之所以会获得越来越多的关注有多重原因，包括功耗更低、翘曲现象更少、组装良率更高以及可能生产出更复杂的组件。到目前为止，已经有很多研究都是围绕LTS与传统SAC（锡-银-铜）合金的可靠性对比而展开的。其中一些研究成果还在此次会议上进行了展示。
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图1：SAC焊球和LTS焊膏形成的混合组件
iNEMI对Richard Coyle所介绍的第三代无铅合金进行了研究。研究表明，与传统的SAC合金相比，这类合金明显具有更好的高可靠性加速热循环（ATC）性能，在某种情况下甚至可以让0/100°C下的特征寿命延长一倍。在这些合金中，一种含有铟的SAC合金可能会被当作是一种LTS（液相线介于202-206 °C之间）。在0/100°C、40/125°C以及-55/125°C ATC下，这种合金的一种均质组件（焊膏和焊球合金相同）具有与均质SAC合金相同或者是更长的特征寿命[1]。
Mitac的Paul Wang和他的团队发表了一篇论文，介绍哪种材料可以被看作是真正能应用到企业计算和汽车电子产品中的LTS，他们指出向后兼容性是非常重要的。他们采用的ATC测试并不完整，但根据他们的报告显示，在-40/100°C ATC下，他们使用锡-铋LTS焊膏（液相线介于130-140 °C之间）与SAC焊料球（图1）制成的混合组件相比它们的均质LTS组件会更早出现失效。今年， Intel公司Satyajit Walwadkar等人给出的其他研究报告则研究出了一种新方法可以确定只使用单一焊接点的焊料的机械疲劳性能，这一点证实了Wang的研究成果。用锡-铋LTS焊膏（液相线介于140-150 °C之间）和SAC405焊料球制形成的焊接点，其性能要逊于均质SAC焊接点的性能[3]。
Wang担心锡-铋LTS合金更脆，所以在机械冲击测试中可能会表现不佳。Jagadeesh Radhakrishnan等人在另一篇iNEMI论文中报告的结果证明了这种担忧是有充分根据的。与SAC305相比，锡-铋LTS（液相线介于125-139℃之间）的跌落性能表现明显较差。iNEMI团队还研究了在使用可以创造出聚合物增强材料（有些人将其称为环形聚合物）的焊膏时要如何提升其性能表现。这种增强材料可以改善跌落性能，但无法与SAC的基准性能匹配 [4]。Wang在论文中建议采用边缘粘合剂来提升焊点在跌落测试中的性能。图2给出了如何采用这种粘合剂。
若使用边缘粘合剂来改善机械冲击性能，人们会担心这样的粘合剂会对板级可靠性造成影响。波特兰州立大学的Tae-kyu Lee教授对这一问题进行了深入研究。与均质SAC组件相比，在-40/125°C ATC下，SAC305焊膏与LTS焊球（液相线是197 °C）混合制成的组件性能不佳。Lee的团队调查了如何使用可返工的边缘粘合剂，发现使用了粘合剂的混合组件的ATC性能要远远强于未使用粘合剂的均质组件[5]。所以边缘粘合剂可以在不损害ATC性能的前提下，用于提升组件在机械冲击测试或跌落测试中的性能，也可以用于提升LTS混合合金组件和其他难以进行ATC组件的性能。
LTS合金的开发和研究仍需要进行大量其他工作。此外，iNEMI团队建议要进一步去了解ATC过程中出现界面裂纹的根本原因，并提议使用其他方法来替代扫描电子显微镜（SEM），来识别合金中存在的其他相位。他们的团队专门研究机械冲击性能，希望找到铋混合成分与其他焊点形态之间的关联性，以及聚合物增强程度与跌落测试结果之间的关系。
同时，Wang的团队计划进一步推进ATC测试，并针对混合合金组件进行跌落测试。Lee和他的同事证实了恰当使用可返工的边缘粘合剂不仅不会损害ATC性能，反而还有可能提升这种性能，他们还想研究如何使用这种粘合剂来提升LTS组件的机械冲击性能。Walwadkar和来自Intel公司的同事已经研发并验证了一种快速测试方法，他们希望可以筛查大量合金（LTS或其他）的疲劳性能。
图2：带有边缘粘合剂和不带有边缘粘合剂的BGA（来源：Zymet）
参考内容*
- Richard Coyle et al.“The Effect of Bismuth, Antimony, or Indium on the Thermal Fatigue of High Reliability Pb-Free Solder Alloys.”
- Paul Wang et al.“Low Temperature Solder Interconnect Reliability and Potential Application in Enterprise Computer and Automotive Electronics.”
- Satyajit Walwadkar et al.“A Novel Approach to Determine Mechanical Fatigue Performance of Solder Material Using Single Joint Test.”
- Raiyo Aspandiar et al.“iNEMI Project on Process Development of BiSn-Based Low Temperature Solder Pastes, Part IV: Comprehensive Mechanical Shock Tests on POP Components Having Mixed BGA BiSn-SAC Solder Joints.”
- Tae-kyu Lee et al. “Low Melting Temperature Interconnect Thermal Cycling Performance Enhancement Using Elemental Tuning and Edgebond Adhesive.”
*编者注：所有参考资料均来自《2018 SMTA国际会议论文集》（10月14–18日）。
