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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 29 图 4-10 显示了 SnBi 焊料的典型微观结构 。这种微 观结构也非常类似于 SnPb 焊料。它是两相混合物， 颜色较暗的相是富锡相 ，颜色较淡的相是富铋相。 根据焊点的冷却速率 ，相形态可以是层状的、结节 状的或两者的混合物。 这种 SnBi 合金系统存在缺陷 。共晶 SnBi 焊料制成 的焊 点在受到机械和跌落冲击力时容易失效。这主 要是由于微观结构中 Bi 相的…
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2） 环保 - 使用低温焊料减少温室气体的产生，并减少
产品生命周期对环境的影响。
3） 焊点良率改善 - 对消费类产品（如智能手机和可穿
戴产品）不断增长的需求，形成了对轻量化、超薄
电子封装但依然满足高性能的要求。
封装厚度的减小给再流焊接组件带来了新的挑战。用
于这些电子封装中材料间的 CTE 不匹配导致采用 SAC
再流温度时翘曲的增加。这种翘曲导致使良率降低的
缺陷，如 HoP、NWO 和焊料桥接。
降低再流峰值温度可以提高 SMT 焊点良率边际，尤其
是对于 BGA 焊点，通过减小封装的动态翘曲并在再流
时保持焊球和焊膏接触来提高焊点良率。
图 4-7 显示了倒装芯片 BGA 封装在 250°C 到 260°C
的温度范围内的动态翘曲，在 160°C 到 180°C 范
围（SnBi 焊膏的再流峰值温度范围），封装翘曲比
接近 SAC 焊膏的再流峰值温度（260°C）的翘曲低
30% ～ 50%。
4.4.1.3.2 低温焊料合金的选择
选择用于低温焊接
的焊料合金在其高温／低温两端具有液相线温度边
界。如果液相线温度过高，低温焊料的大部分优势将
无法实现。另一方面，对于使用低温焊料的产品，其
液相线温度应该高于现场运行温度。
图 4-8 显示低温焊料合金系统（SnBi，SnIn，SnZn 和
In），其液相线约为 100°C 至 200°C，且不含 Pb 或 Cd
（由于环境原因排除）和 Au（出于经济原因排除）。这
些合金可以是共晶或偏离共晶的（根据其主要成分添
加剂形成亚共晶或过共晶）。偏离共晶组分通常具有
固相线和液相线温度之间的熔化范围（也称为糊状范
围）。它们还可以添加额外的成分来赋予某些期望的性
质（即降低液相线温度）。
4.4.1.4 SnBi 焊料合金系统
便携计算机市场使用
SnBi 系统，因为这种焊料系统适用于大批量生产。它
已经在电视机、白色家电和 LED 产品中使用了几年，
因为使用现有无铅焊料如 SAC 合金系统，某些成分的
元器件不能承受较高的再流焊温度。
图 4-9 显示了 SnBi 合金系统的相图。显然，该相图
与 SnPb 相图非常相似；共晶成分为 BiSn42。相图表
明亚共晶和过共晶成分及其糊状相。关于相图的信息
见 IPC-7530。
图 4-7 Dynamic Warpage Plot with Temperature for a
Flip Chip BGA Package
A －动态翘曲（
μ
m） D －下凹（－）翘曲
B －温度 E － 30% 到 50% 的减小
C －上凸（＋）翘曲
180
25 125 160 170 180 200 260
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
B
A
C
D
E
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220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
A
G
H
L
M
J
H
G
K
G
B
C D E F
图 4-8 具有液相线温度 100 ℃到 200 ℃且不含有 Pb,Cd 或Ａｕ
的低温合金
A －液相线温度（℃）
B －合金系统
C － BiSn
D － SnZn
E － In
F － InSn
G －共晶
H －偏离共晶合金
J －具有 Bi 和 In 的合金
K －具有 Bi 的合金
L － BiSnAg
M － In 金属
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图 4-10 显示了 SnBi 焊料的典型微观结构。这种微
观结构也非常类似于 SnPb 焊料。它是两相混合物，
颜色较暗的相是富锡相，颜色较淡的相是富铋相。
根据焊点的冷却速率，相形态可以是层状的、结节
状的或两者的混合物。
这种 SnBi 合金系统存在缺陷。共晶 SnBi 焊料制成
的焊点在受到机械和跌落冲击力时容易失效。这主
要是由于微观结构中 Bi 相的固有脆性。Bi 具有菱
形晶体结构，有非常少的滑移面支持位错运动。支
持位错运动的滑移面的数量越大，材料的延展性就
越高。
最初针对低温 SnBi 焊料的细分市场，其产品在使用
时跌落（如跌落的移动设备）的风险很高。因此，
为了降低在机械冲击和跌落下焊点失效的风险，已
经研究了两种焊点增强途径：
1）增强 SnBi 焊料合金的延展性
2）使用焊点聚合增强剂
4.4.1.4.1 锡铋焊料的延展性增强
正在实施多种策
略来改善锡铋焊料的延展性。包括：
• 减少焊料合金中铋的含量。这样的减少可以降低
焊料中脆性相（铋）的体积，并提高韧性相（锡）
的体积。
• 通过向焊料中添加特定元素来强化锡相 , 这称作固
溶强化。
• 通过添加特定元素来强化锡相，该元素沉淀析出
进入微观结构 , 这称作沉淀强化。
• 通过加入低浓度的特定元素，细化微观结构（晶
粒尺寸或形貌）。这些影响改变了焊料内部机制，
从经典位错滑移转变为协同晶界滑移。添加这些
元素也减少了铋在焊料终止界面区域的分离，而
脆性裂纹主要通过该区域传播。
• 通过与其他元素合金化改性铋相。这种改性使含铋相脆性降低。
4.4.1.4.2 锡铋焊点的聚合物增强
锡铋焊点的聚合物增强，使用固化的聚合材料（例如环氧树脂）作为外
部增强材料。当机械冲击力作用于组件时，该外部加强材料通过降低焊料内裂纹形成和扩张的风险来强化焊
点。
这些聚合物增强材料用于 BGA 和其它面阵列元器件在板级底部填充中的焊点。底部填充在大批量制造时的一
个主要缺点是，它会对产出时间造成不利影响。在再流焊接后，这首先因为底部填充必须分配到 BGA 出现的
具体位置，然后它们必须在后续步骤中固化。固化炉的能源花费是底部填充工艺的另一个缺点。
300
250
200
150
100
50
0
0102030
21 57
139ºC
99.9
40 50 60 70 80 90 100
01020
A
B
CD
E
E
F
F
G
H I J
30 40 50 60 70 80 90 100
13ºC
图 4-9 锡铋相图
IPC-7095d-4-9-cn
A– Bi 原子 %
B– 温度 （°C）
C– Sn
D– 铋重量百分比
E– Bi
F– Tm
G– 糊状范围
H– 亚共晶
I– 共晶
J– 过共晶
AB
图 4-10 典型的锡铋焊料合金微观结构
A– Bi
B– Sn
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强化锡铋焊点的另一种聚合物备选方案是使用含有树脂的低温焊膏，也称为焊点增强焊膏（JRP）。这些焊膏
在其助焊剂成分中含有未固化的树脂。再流焊过程中，当焊膏熔化时，该树脂从熔融焊料中移出，并在外部覆
盖熔融焊料。随着再流焊过程的进行，熔融焊料对金属端子进行润湿，随后助焊剂内的树脂成分胶凝和固化。
再流焊之后，固化的树脂在焊点周围形成了一个填充，提供了必要的机械增强。JRP 工艺本质上是在再流焊过
程中形成部分 BGA 底部填充，而不需要额外的分配和固化步骤。
4.4.2 焊球连接工艺
封装基板通常会被制成含有多个
封装的条状结构（见图 4-11）。焊球放置在金属线键合和
塑封或压模工艺之后进行，对于批量 BGA 组装，会利
用自动或者半自动植球方式。所需尺寸的合金球体（见
表 4-1）可以通过成组的贴片机－采用自动化系统逐个
放置，或采用一个类似模板的夹具进行成批放置。对于
研发用或者仅小批量植球时，可以使用简单的模板夹具
来对焊球精确定位。
然而，总体上焊球的连接工艺都是一样的。在开始阶段
先将焊膏或助焊剂涂敷或印刷在触点图形上，再流焊期
间焊膏或助焊剂保持焊球定位。通常在氮气环境中将焊球再流焊接到基板上。氮气环境可以保证焊球一致的质
量同时避免在再流焊过程中焊球表面氧化。然而，封装与印制板再流焊连接时没有必要使用氮气。共晶焊球可
以提供“可控塌陷”，从而在再流焊过程中提升自对准能力（弥补在组装过程中的某些偏移）。
在使用 PBGA 时需要考虑一些问题。首先是湿敏问题。在返工过程中，要被拆除和替换的元器件周围的湿敏
元器件必须事先进行烘烤和／或避免它们在返工活动中受热。如果塑封 BGA 需要重复使用，那么从印制板组
件上取下封装之后进行 BGA 的重新植球需要特别小心。对于 CBGA 所用的高熔点非塌陷焊球，湿敏问题并不
存在；焊球在返工过程中也不会融化。
当暴露于焊料连接所需的温度时，PBGA 封装也容易翘
曲。在再流焊焊接期间，封装边缘会上翘或者向下弯曲
并严重地影响封装和印制板组件的电气连接界面。较大
封装比较小封装更容易翘曲。封装翘曲是由基板结构、
模封材料和内部硅芯片的热膨胀系数 CTE 不匹配造成
的。当芯片尺寸较大或 BGA 有散热片时，这种问题可
能会更严重。
4.4.3 陶瓷球栅阵列（CBGA）
陶瓷封装的内部连接方
式可以是导线键合或芯片倒装。图 4-12 显示封装为内部
倒装芯片键合。封装配置的芯片可安装在基板的上表面
（腔体朝上）或安装在基板的下表面（腔体朝下）。图 4-13
所示的典型陶瓷封装所用的焊球，是一种熔点为 302°C
的高温合金（SnPb10）。然而，焊球上的连接合金可以
是共晶焊料（SnPb37）。
B
C
D
A
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图 4-11 塑封球栅阵列 （PBGA）
A – 封装基板 C– 金属线键合
B– 芯片
D– 封装基板
A
B
C
E
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IPC-7095d-4-12-cn
图 4-12 热增强型陶瓷球栅阵列（CBGA）封装的
横截面
A– 金属合金散热片
B– 热界面材料
C– 倒装芯片的半导体芯片
D– 焊球
E– 陶瓷氧化铝基板