焊接材料
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/铅焊锡普遍用于元件引脚和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，元件和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，附着元件和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
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”。
2. 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)。
3. 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。
4. 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元件组成。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(Al2O3无引脚元件)。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。
5. 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。
冶金学特性
在焊锡连接服务寿命内暴露的环境条件之下，通常发生的冶金现象包括几个明显的变化。
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，附着元件和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
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”。
2. 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)。
3. 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。
4. 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元件组成。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(Al2O3无引脚元件)。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。
5. 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。
冶金学特性
在焊锡连接服务寿命内暴露的环境条件之下，通常发生的冶金现象包括几个明显的变化。
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river.jiang (威望:0)
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2. 应变硬化，经常在应力与应变的关系中观察到，是塑性变形的结果。
3. 恢复过程是应变硬化的反现象。恢复是一个软化事件，即，焊锡倾向于释放所储存的应变能量。该过程是热动力学推动的，一个以快速率开始、以较低速率进行的能量释放过程。这样，对焊点缺陷敏感的无论特性倾向于恢复到其最初的值。可是，这不影响微结构中的可发现的变化。
4. 重新结晶是在服务寿命期间焊接点内经常观察到的另一个现象。它经常发生在相对高的温度，并涉及从应变材料释放比恢复过程较高的能量。还有，在重结晶期间，形成一套新的基本上无应变的晶体结构，它明显涉及晶核形成与增生的过程。重结晶所要求的温度一般落在材料的绝对熔点的三分之一到二分之一范围内。
5. 固溶硬化(solution-hardening)，或固体溶解合金，造成屈服应力的增加。固溶硬化的一个现成例子是，当Sn/Pb成分通过锑(Sb)添加来强化时，如图一所示。
6. 沉淀硬化(precipitation-hardening)包括强化作用，它来自于具有分布良好的细沉淀的结构。
7. 焊锡的超塑性特性表明自己处于低应力、高温和低应变率的条件之下。
机械性能
焊锡的三个基本机械特性包括应力与应变特性、抗懦变性和抗疲劳性。
虽然应变可以通过张力、压力或剪力来施加，但多少合金在剪力上比在张力或压力上更弱。剪切强度是重要的，因为多数焊点在服务期间经受剪切应力。
懦变是当温度和应力(载荷)都保持常数时造成的整体塑性变形。这个决定于时间的变形可能在绝对零度之上的任何温度发生。可是，懦变现象只是在“活跃”温度时才便得重要。
疲劳是在交替应力之下的合金失效。一个合金在循环载荷下可忍受的应力远低于静载荷之下的。因此，屈服强度，焊锡没有永久变形将抵抗的静态应力，与抗疲劳性无关。疲劳破裂通常从几个小裂纹开始，在应力的循环作用下增产，造成焊接点灯承载横截面减小。
在电子封装和装配应用中的焊锡通常经受低循环疲劳(疲劳寿命小于10,000周期)，和遭受高应力。热力疲劳是用来刻划焊锡特性的另一个测试模式。它将材料经受循环的温度极限，即，一个温度疲劳测试模式。每一种方法都有其独特的特征与优点，两者都影响在焊锡上的应变循环。2
性能与外部设计
人们清楚地认识到，焊接点的可靠性不仅依靠固有特性，而且依靠设计、要装配的元件与板、用来形成锡点的工艺和长期服务的条件。进一步，焊接点预计与散装的焊接材料有不同的表现。因此，可能不能准确地遵循在散装焊锡与焊接点之间的一些现成的机械与温度特性模式。主要地，这是由于基板表面焊接体积的高比率，在固化期间造成大量的非均质成核点，以及当焊点形成时在元素或冶金化合物中的浓度梯度。无任哪一种条件都可能导致一个反映缺乏均质性的结构。随着焊接点厚度的减少，这个界面效果更加明显。因此，焊接点的特性可能改变，失效机制可能与散装焊锡不一致。
元件与板的设计也可重大影响焊接点的性能。例如，与焊盘有关的阻焊层(solder mask)(如一个限定的或不限定的阻焊层)的设计，将影响焊接点灯性能以及失效机制。
对于每种元件封装的各自焊点失效模式已经有观察和说明特征1,3,4,5,6。例如，翅形(gull-wing)QFP焊接点的断裂经常从焊接圆角的脚跟开始，第二个断裂在脚尖区域；BGA焊点失效通常在或者焊锡球与封装的界面或者焊锡球与板的界面找到。