焊接材料
By Dr. Jennie S. Hwang
本文介绍，焊锡作为所有三个连接级别：芯片 (die) 、封装 (package) 和电路板装配的连接材料。除此之外，锡 / 铅焊锡普遍用于组件引脚和 PCB 的表面涂层。考虑到铅 (Pb) 的既定角色，焊锡可分类为或者含铅的或者无铅的 (lead-free) 。现在，组件和 PCB 在无铅系统中已经找到可行的替代锡 / 铅材料的表面涂层。可是对于连接材料，对实际无铅系统的寻找还在进行中。这里，将总结一下锡 / 铅焊锡材料的基础知识，以及焊接点的性能因素，后面有无铅焊锡的一个简要讨论。
焊锡通常描述为液相温度低于 400 ° C(750 ° F) 的可熔合金。芯片级别 ( 特别是倒装芯片 ) 的锡球的基本合金含有高温、高铅成分，如 Sn5/Pb95 或 Sn10/Pb90 。共晶或近共晶合金，如 Sn60/Pb40 、 Sn62/Pb36/Ag2 和 Sn63/Pb37 ，也已经成功使用。例如，在载体 CSP/BGA 基板底面的锡球可以是高温、高铅或共晶、近共晶的锡 / 铅或锡 / 铅 / 银材料。由于传统电路板的材料如 FR-4 的温度忍耐级别，附着组件和 IC 封装的板级焊锡只局限于共晶、近共晶的锡 / 铅或锡 / 铅 / 银焊锡。在有些情况中，使用了锡 / 银共晶和包含铋 (Bi) 或铟 (In) 的低温焊锡化合成分。
焊锡可以各种物理形式应用，包括锡条 (bar) 、锡锭 (ingot) 、锡线 (wire) 、锡粉 (powder) 、预成型 (preform) 、锡球 (sphere) 与柱、锡膏 (paste) 和熔化状态。焊锡材料的固有特性可在三个范畴内考虑：物理、冶金和机械。
物理特性
对于今天的封装和装配，五个物理特性是特别重要的： 1
- 冶金学相转变 (phase-transition) 温度具有实际的意义。液相温度认为等于熔化温度和固相线对软化温度。对于一个给定的成分，液相与固相之间的范围叫做塑性或粘滞范围。选作连接材料的焊锡合金必须适应服务 ( 最终使用 ) 温度的最坏条件。因此，希望合金具有至少高于所希望的服务温度上限两倍的液相线。随着服务温度接近液相线，焊锡一般在机械上和冶金学上变得“较弱”。
- 焊锡连接的导电性描述其在传送电气信号中的性能。从定义上，导电性是在一个电场中充电的离子 ( 电子 ) 从一个位置移动到另一个位置的运动。在金属中以电子导电为主；离子负责氧化物和非金属的导电。焊锡的导电主要是电子的流动。
电阻率 - 导电率的倒数 - 随着温度升高而增强。这是由于电子的可移动性减少，随着温度升高电子的可移动性直接与平均自由行程 (mean-free-path) 成比例。焊锡的电阻率也可受塑性变形程度的影响 ( 增加 ) 。 - 金属的导热性通常与导电性有关系，因为电子主要负责这两样。 ( 可是，对绝缘体，以声子活动为主。 ) 焊锡的导热性随着温度增加而减少。
- 自从表面贴装技术的开始，温度膨胀系数 (CTE, coefficient of thermal expansion) 问题已经是最经常讨论的，原因是 SMT 连接材料特性的 CTE 通常有胶大的不同。一个典型的装配由一块 FR-4 板、焊锡和无引脚或有引脚组件组成。它们各自的 CTE 是 16.0x10 -6 / ° C(FR-4) 、 23.0x10 -6 / ° C(Sn63/Pb37) 、 16.5x10 -6 /°C( 铜引脚 ) 、和 6.4x10 -6 /°C(Al 2 O 3 无引脚组件 ) 。在温度的波动和电源的开与关之下，这些 CTE 的不同增加在焊接点上应力与应变，缩短服务寿命和导致过早失效。
两个主要的材料特性决定 CTE 的幅度，晶体结构和熔点。当材料具有类似的晶格结构时，其 CTE 与其熔点有相反的关系。 - 熔化焊锡的表面张力是一个关键参数，与可熔湿性 (wettability) 和可焊接性有关。由于接合在表面断开，在表面分子之间作用的吸引力相对强度比焊锡内部分子力较弱。因此材料的自由表面具有比其内部更高的能量。
对于用来熔湿焊盘的熔化焊锡，焊盘的表面必须具有比熔化的焊锡较高的能量。换句话说，熔化金属的表面能量越低 ( 或金属焊盘的表面能量越高 ) ，对熔湿越有利。注意：上助焊剂就是要增加焊盘的表面能量而不是象有时在文章中那样说的减低。