作者：Ranjit Pandher, MacDermid Alpha Electronics Solutions

由于便携式电子产品的日益普及和无铅焊料的广泛使用，且在生产中要确保高直通率，因此焊点的跌落冲击可靠性已成为电子行业的主要问题。大多数普遍推荐的无铅焊料是高锡（Sn）合金，由于高锡合金具有相对较高的强度和模量，因此对无铅焊点的可靠性起着关键作用。此外，即使从冶金角度来看，主要参与焊点形成的也是焊料合金中的Sn，但是由锡铅（SnPb）和无铅合金形成的金属间化合物（intermetallic compound，简称IMC）层的细节是不同的。锡铅合金和无铅合金的工艺条件明显不同，对焊点质量也会产生影响。

跌落冲击中焊点的脆性失效发生于界面IMC层或界面IMC层内。这是由于IMC固有的脆性、IMC界面内部或IMC界面处的缺陷，或由于大块焊料的低延展性而使应力转移到界面所导致的。

在开发高性能合金的过程中，MacDermid Alpha解决了提高延展性和改性及控制金属间化合物层两个问题。为了控制大块合金的机械特性及其在金属间界面层的形成和生长的扩散过程，评估了SnAgCu合金中广泛的基体合金成分和选定的微合金添加剂。

合金添加剂通常起到扩散改进剂的作用，可减缓基板和焊料之间的相互扩散速率，从而降低IMC厚度或空洞形成的倾向。即添加剂可以起到扩散补偿剂的作用。应该注意的是，微量添加剂的含量并不能显著地改变基体合金的整体机械性能。高速拉球和跌落冲击测试的结果表明，焊点的可靠性得到了明显的改善。已经强调了器件对良好的跌落冲击可靠性的需求，SAC305和其他银含量相对较高的SAC合金明显无法满足这一需求。与SnPb共晶合金相比，SAC305类合金高应变率响应差的根本原因在于大块合金的特性。大多数无铅焊料是高锡合金，银含量为5%，铜含量为1%。这些合金具有相对较高的强度和模量以及较低的声阻抗，因此，在跌落冲击条件下，更容易将应力转移到焊料与基板的界面。在焊接过程中形成的金属间化合物具有较低的延展性，在机械测试中会呈现脆性失效。

相关文献已评估和讨论了大量的BGA和CSP器件所依赖的高Ag含量SAC合金的替代品。考虑的主要因素是大块合金的特性。通过选择低银含量合金，可以在以牺牲跌落冲击性能的条件下最大限度地降低高锡合金强度的影响。Ag含量较低时，大块合金中Ag3SnIMC较少，同时机械强度降低。SAC系列合金的剪切强度如图1所示，突出了较低Ag含量合金在潜在吸收由于制造操作期间器件操作不当而导致的高应变率变形影响的优势。使用较低含量银的合金来提高机械强度将直接影响组件在生产环境中的可靠性以及一般消费者在使用中的操作可靠性。

图1：SAC合金的机械特性

Shear Stress剪切应力   Shear Strain剪切应变

Ranjit Pandher任MacDermid Alpha Electronics Solutions公司LED及半导体高级经理。