CN109661289A - 用于焊点预调节或修复的热处理 - Google Patents

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伊娃·科西巴
杰弗里·K·肯尼迪
大卫·希尔曼
大卫·亚当斯
斯蒂芬·梅施特
道格·D·佩罗维奇
迈克尔·O·罗宾逊
约瑟夫·华雷斯
伊万·斯特拉兹尼奇
雷奥尼·斯纳乔维斯奇
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Abstract

一种用于调节或修复焊点组合件中的含铋的无铅焊料的热处理方法。该方法包括将组合件中的焊料加热到固溶线附近的温度。

Description

用于焊点预调节或修复的热处理
技术领域
以下涉及用于焊接的系统和方法，并且具体地涉及应用于焊点的预调节和/或修复的热处理操作。
背景技术
历史上，使用含铅(Pb)焊料来制造电子器件，例如锡-铅(Sn-Pb)焊料。但是，铅和许多铅合金是有毒的。由于全球环境法规日趋严格，铅焊料越来越多地被毒性较小的无铅焊料对应物所替代，这些对应物也表现出低熔点和足够的导电性以供电子应用。
工业上已采用含有锡(Sn)与银(Ag)和/或铜(Cu)的合金的无铅焊料来代替含铅焊料。SAC305是在工业中广泛使用的锡-银-铜合金焊料的实例。SAC305的组成为96.5％锡、3％银和0.5％铜。
众所周知，Sn-Pb合金及其替代品Sn-Ag-Cu合金如SAC305的焊接性能会随时间而退化。Sn-Pb焊料性能退化的主要原因是晶粒生长，而在SAC305中，第二相(金属间)粗化导致焊料性能随时间而退化。
早期的无铅焊料通常需要的处理温度高于历史上生产锡-铅焊料的处理温度。因此，这些早期的无铅焊料需要使用能够承受更高温度的专用电路板材料。已经开发出包含锡(Sn)、银(Ag)、铜(Cu)和铋(Bi)合金的无铅焊料用于不需要专用电路板材料的低温焊料应用。这种低温无铅焊料的实例描述于US2015/0258636中。已经发现，使用这些合金形成的单个无铅焊点通常由少量或甚至仅一个富含Sn的晶粒组成。结果是当响应于焊点上的冲击力或应力累积而发生沿着晶界的裂纹扩展的解理时，可能导致焊点失效。因此，由锡、银、铜和铋合金形成的焊点的典型晶粒结构导致电子焊点的可靠性不可预测，在实际应用中具有广泛的寿命分布。
使用锡、银、铜和铋合金形成的无铅焊点遇到的另一个问题是Bi颗粒不均匀地分布在微结构中。由于沉淀物的脆性，加剧了上述失效机理，即加剧了响应于焊点中的冲击力或应力累积而沿着晶界的裂纹扩展的解理。
由少量大的Sn晶粒和不均匀分布的Bi颗粒导致的失效机理可以归纳为不可靠的焊点而导致失效，该失效是由单向各向异性Sn晶粒周围的大且硬的Bi和金属间化合物(IMC)颗粒的偏析引起的。Tae-Jyu Lee、Bieler和Arfaei描述了铸态无铅焊点涉及晶粒尺寸和取向的变形行为(Tae-Kyu Lee,Bite Zhou,Lauren Blair,Kuo-Chuan Liu和ThomasR.Bieler,Sn-Ag-Cu Solder Joint Microstructure and Orientation Evolution as aFunction of Position and Thermal Cycles in Ball Grid Arrays Using OrientationImaging Microscopy,Journal of Electronic Materials,DOI:10.1007/s1 1664-010-1348-4,2010TMS；R.J.Coyle,K.Sweatman和B.Arfaei,Thermal Fatigue Evaluation ofPb-Free Solder Joints:Results,Lessons Learned,and Future Trends，JOM，2015年10月)。
通过使用铝(Al)作为附加的合金元素，能够增加无铅电子焊点中Sn晶粒的数量。含Al的合金具有使更多Sn晶粒成核的趋势。然而，与Sn-Pb各向同性焊点相比，该结构仍然包含少量晶粒(Iver E.Anderson，Jason W.Walleser，Joel L.Harringa，Fran Laabs和Alfred Kracher，Nucleation Control and Thermal Aging Resistance of Near-Eutectic Sn-Ag-Cu-X Solder Joints by Alloy Design,Journal of ElectronicMaterials，第38卷，第12期，2009)。因此，仍然需要解决Sn晶粒数量问题的替代方案。
Bi颗粒的偏析和该现象对焊点可靠性的影响尚未得到显著的研究关注。因此，需要解决该问题的方案。
B.T.Lampe的"Room Temperature Aging Properties of Some Solder AlloysWelding Research Supplement,"1976年10月；第330-340页("Lampe")描述了铅-锡和铅-锡-锑焊料的退火以改善焊料的稳定性。Lampe描述了在室温下老化期间在含铅合金中观察到的微结构的变化，并且发现，在200℉下加热可以在锡-铅-锑合金中产生类似的特性，但速度更快。Lampe还发现，在200℉下退火得到最终稳定的产品的较高的剪切强度和硬度。
在另一项研究中，热处理用于人为地加速焊料合金的老化以研究焊料合金的性质并预测随时间的现场行为。在基于Sn的无铅焊料的主流应用中，如硬度和至失效的热循环次数的性能随时间而退化。如T.K.Lee所述，这种性能退化由与第二相颗粒粗化有关的微结构降解引起(Tae-Kyu Lee，Hongtao Ma，Kuo-Chuan Liu和Jie Xue，Impact of IsothermalAging on Long-Term Reliability of Fine-Pitch Ball Grid Array Packages withSn-Ag-Cu Solder Interconnects:Surface Finish Effects，Journal of ElectronicMaterials，第39卷，第12期，2010)。
Klasik报道了通过在高温下退火一段延长的时间对Sn-Zn-Cu合金微结构的有利变化(A.Klasik等人"Relationship Between Mechanical Properties of Lead-FreeSolder and Their Heat Treatment Parameters"Journal of Materials Engineeringand Performance,vol.21(5)2012年5月,620-628页)。在升高的温度下加热168小时至24小时的时间段后观察到的这些微结构变化使得机械强度的提高。
发明内容
已经发现，可以调节组合件中的焊点(互联)以改善焊点性能。在一个方面，调节处理可以通过形成更均匀地分布在焊点中的较小铋颗粒来改善焊点性能。
在一个方面，提供了一种用于调节焊点的方法，其包括：
-i)获得具有焊点的组合件，其中该焊点是包含Bi和Sn的无铅焊点，和
-ii)将组合件加热到合金的固溶线温度附近的温度，
-其中，当组合件冷却时，铋颗粒比加热步骤之前更小并且更均匀地分布在焊点中。
在该方法的一个实施方案中，无铅焊点包含至少2重量％的Bi。在另一个实施方案中，无铅焊点还包含Ag和/或Cu。该无铅焊点的余量或剩余部分为Sn。
在该方法的另一个实施方案中，将组合件加热到固溶线温度附近的温度的步骤包括将组合件加热到低于固溶线温度最多15℃的温度至高于固溶线温度最多40℃的温度。焊料组成的固溶线温度可以通过本领域已知的方法如DSC通过实验来确定。
焊点的调节可以作为初始制造过程的一部分进行，或者可以在现场条件下使用组合件一段时间后进行。在制造过程中进行调节的情况下(预调节)，调节步骤会发生在回流焊步骤以形成焊点之后和组合件在现场使用之前的某个点。在调节步骤之前或之后，可以在制造过程中进行其他处理或测试步骤。在现场条件下使用组合件之后进行调节的情况下(修复或再调节)，组合件在实施调节过程之前会使用一段时间。使用时间将取决于如焊料类型、使用组合件的应用以及使用环境的因素。
在另一个方面，提供了一种制备电子组合件的方法，其包括：
a)沉积含铋的无铅焊膏
b)放置表面安装部件
c)通过回流焊接和/或波峰焊接形成焊点(互联)，和
d)通过本文所述的方法调节含铋的无铅焊点。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式来描述实施方案，其中：
图1是示出应用热处理步骤作为预调节操作的焊接过程的流程图；
图2是示出对先前焊接点应用热处理步骤作为修复操作的流程图；
图3是显示互联(焊点)中的Sn晶粒的偏振光图像；
图4是14×14球栅阵列(BGA)中无铅焊料互联的偏振光图像；
图5是显示Bi颗粒不均匀分布的无铅焊点的SEM图像；
图6是标准回流焊过程后的无铅焊料互联中晶粒微结构的SEM图像；
图7是标准回流焊过程然后热处理之后的无铅焊料互联中晶粒微结构的SEM图像；
图8是图6图像的电子背散射衍射(EBSD)分析；
图9是图7图像的EBSD分析；
图10是显示SnBi化合物的固溶线温度曲线的图，Y轴显示以摄氏度计的温度，X轴从左到右显示了Bi的百分比增加，其中0％Bi和100％Sn在左侧，以及绘制在图表上的、由实验确定的特定组成的固溶线温度；
图11是描绘在室温下老化特定天数后如图例中所示的硬度的条形图；
图12是描绘在100℃下老化特定天数后如图例中所示的硬度的条形图；
图13包括在125℃下加热时微结构随时间变化的SEM图像；
图14是显示热处理期间的微结构变化的示意图：Bi在高温下溶解、在冷却阶段新晶粒形成以及小颗粒的Bi沉淀；
图15是显示SnAgCuBi合金中晶界的Bi钉扎的SEM图像；
图16是显示SnAgCuBi合金中微结构随温度循环而变化的SEM图像；
图17是显示老化后粗化的SnAgCuBi合金中的微结构的SEM图像；
图18是显示SnAgCuBi合金中修复处理后的微结构变化的SEM图像。
图19是描绘在70℃下老化特定天数之后和热处理之后如图例中所示的蠕变速率变化的图表。
图20是显示Sn/0.7％Cu/7％Bi组成的DSC扫描的图。
具体实施方式
以下内容一般涉及焊接工艺，更具体地涉及含铋无铅焊料。如下所述，已经发现，可以对这种焊料应用热处理或加工操作，以产生更可靠的晶粒细化的焊点，其中铋在焊点中均匀分布。热处理步骤可以并入电子组合件的制造中，例如，具有焊接部件的电路板的制造。
如本领域已知的，标准电子组合件焊接工艺包括以下步骤，这些步骤已经在各种应用中实施了很长一段时间：
a)通过印刷进行焊膏沉积；
b)放置表面安装部件；
c)回流焊接(在烤箱中熔化经印刷的焊料并形成焊点)
d)如果适用，通过炉中的“波”焊料来焊接引脚通孔部件；和
e)必要时清洁组合件。
已经确定，对于含铋无铅焊料，可以在初始焊点形成步骤之后应用额外的热处理步骤(称为回流焊)，以改善焊点性能。图1示出了包括该额外的热处理步骤的上述过程。该热处理步骤在本文中也可以称为“预调节”，其产生了更可靠的晶粒细化的焊点，其中Bi在焊点中更均匀地分布。热处理可以与其他组件层级的热处理组合，例如保形涂层的固化或高操作温度的预烧。因此，图1中所示的特定实施方案仅用于说明目的。预调节步骤可以在回流焊之后发生的其他处理步骤之前或之后进行。预调节步骤会在现场使用组合件之前进行。
在图1示例的过程中，在步骤10将焊膏沉积应用到电路板，并在步骤12将表面安装部件放置在板上。然后在步骤14进行回流焊接，其包括将板加热以熔化焊膏，从而与已经用焊膏对齐的部件的引线形成焊点。在步骤14的焊料回流之后应用热处理步骤16以改善焊点，如下文将更详细描述的。步骤18包括将引脚通孔部件(如果适用，如虚线所示)焊接到板上。这通常包括使用炉进行的波峰焊接工艺，其中当熔化的焊料经过炉时，熔化的焊料波与板上的通孔位置接触，从而将通孔引脚焊接到板上。如本领域中已知的，在步骤20可能需要一些组合件清洁。该步骤可以包括对焊点进行视觉检查(手动或机器)以及各种其他质量控制措施。
还发现，本文所述的原理也可以用于使用了一段时间和可能的使用过去之后来修复可接受的焊点性能。例如，可以在几年的产品服务之后进行修复。类似的热处理步骤可以应用于预先制备的含有含铋无铅合金的焊点。作为修复和翻新过程的一部分，应用于“修复”的热处理步骤可以在焊料互联结构随服务时间而粗化之后用于修复Bi在焊点中均匀分布的更可靠的晶粒细化焊点。图2示出了将热处理步骤16应用于已经使用一段时间的以前的焊接板的应用实例。在步骤30获得待修复的板，并将热处理步骤16应用于板上的一个或多于一个部件。还应用冷却步骤34以改善热机械性能，其中新的小颗粒在基质中均匀沉淀，如下文更详细地讨论的。修复现场产品的优选时间可以从为现场使用的产品收集的历史数据来估算或通过估计现场条件下焊料中Bi的扩散速率的影响来估算。
在特定方面，调节处理之后的含铋的无铅焊点中的铋颗粒会比调节前的颗粒更小且更均匀地分布。
在特定的实施方案中，含铋的无铅焊料合金还包含锡。在又一实施方案中，焊料合金包含银和铜中的一种或多于一种。在另一实施方案中，焊料的铋浓度为约1重量％至约10重量％。在另一实施方案中，铋浓度等于或大于2重量％。在具体实施方案中，铋浓度为约2重量％至约7重量％。在另一实施方案中，含铋无铅焊料的组成为0至5％Ag、0至1％Cu和1％至10％Bi，其余为Sn(百分比为重量百分比)。在另一实施方案中，含铋无铅焊料的组成为>0至5％Ag、>0至1％Cu和约2％至7％Bi，其余为Sn(百分比为重量百分比)。
如本文所用的术语“钉扎”是指点缺陷的作用，该点缺陷可以是材料中的第二相沉淀物，其充当晶体结构中位错移动的屏障。
术语“金属间化合物”或“IMC”是表现出金属键合、确定的化学计量和有序晶体结构的固态化合物。
如本文所用的术语“蠕变”或“蠕变速率”是指固体材料在机械应力的影响下缓慢移动或永久变形的趋势，并且通过如纳米压痕的技术来测量。
下面参考图3至图16更详细地描述热处理步骤16。
众所周知，具有所需机械性能的焊料互联可以通过使用具有均匀结构的材料来实现，该材料具有延性基质的小晶粒和均匀分布的第二相钉扎晶界。这些特征通过充当屏障来增强焊接材料，当施加相对小的应力时，该屏障防止材料中可能发生的位错穿过晶格。
已经认识到，单个无铅互联(焊点)通常由少量或甚至仅一个富含Sn的晶粒组成。图3是显示一个球栅阵列(BGA)互联中的3个晶粒的SEM图像。在图4中，提供了14×14BGA的偏振光图像，其显示仅具有几个晶体取向的单晶，其中每个焊点具有不同的取向。
本文所述的调节方法，特别是热处理步骤16旨在将在枝晶间空间中具有大的Sn枝晶(焊点中的一个或数个晶粒)和偏析的相对较大Bi颗粒的无铅含铋合金的铸态微结构转化成所需的更可靠的结构，该结构具有许多小的Sn晶粒和更均匀分布的Bi颗粒。
无铅焊料互联的总体性能由β-Sn的性质决定，β-Sn由于其特殊的体心四方(BCT)晶体结构而显示出显著的各向异性性质，该晶体结构的晶格参数为a＝0.5632nm，c＝0.3182nm，c/a＝0.547。因此，互联中的少量晶粒和β-Sn热机械性能的显著的内在各向异性使得无铅焊料互联的表现与其Sn-Pb对应物不同，并且每个单独晶粒的晶体取向在决定整体热机械性能方面起到非常重要的作用。因为取向和边界条件不同，所以每个焊点的应力状态和应变史是不同的。
这些各向异性互联在最坏的情况下可以导致不可预测的性能，在最好的情况下能够在实际应用中具有广泛的寿命分布的电子焊点可靠性。已知存在的特定失效机理是由响应于焊点中的冲击力或应力累积沿晶粒的裂纹扩展而导致的早期焊点解理。
还认识到，在含铋的无铅焊点凝固之后，Bi颗粒不均匀地分布在微结构中，如图5所示。Bi颗粒主要在Sn枝晶臂之间以及在靠近金属间颗粒如Ag3Sn和Cu6Sn5的枝晶间空间中从Sn基质中沉淀，从而从最后一部分液体中凝固。存在的特定失效机理是由响应于焊点中的冲击力或应力累积沿晶粒的裂纹扩展而导致的早期焊点解理，并且由于沉淀物的脆性而加剧。
图1和图2所示的预调节和修复处理可以用于处理具有包含SnBi、Sn(Ag)Bi、Sn(Cu)Bi或Sn(Ag)CuBi的无铅焊料的电子焊料组合件，以有利地获得焊点的更好性能，如下所示。
热处理步骤16用于解决随机的晶体取向和不均匀的微结构的上述问题。热处理步骤16通过获得具有许多小的随机取向晶粒和更均匀分布的Bi颗粒的焊点来解决该问题。所得到的微结构有点类似于Sn-Pb。
重结晶过程可以显著改变晶体取向和微结构，并因此改变含铋无铅焊料互联的机械性能。
根据弥散强化理论，第二相颗粒的存在可以增强焊料基质并抑制重结晶区域中的局部软化和变形，从而改善无铅焊料互联的整体机械性能。
图6中的SEM图像显示了用含铋无铅焊料进行标准回流焊之后的晶粒结构的实例。该图像显示了大的Bi沉淀物和单轴晶粒取向(相应的晶粒取向使用EBSD分析在图8中显示)。图7显示了热处理后相同样品的微结构。热处理后的样品在Sn基质中具有小的均匀分布的Bi颗粒并具有许多不同取向的晶粒(晶粒取向使用EBSD分析在图9中显示)。
图8显示了标准回流焊后的晶粒结构，其具有大的Bi沉淀物(在图6中更容易看到)和单轴晶粒取向。图9显示了热处理后的微结构，其中在Sn基质中具有小的均匀分布的Bi颗粒(在图7中更容易看到)，并且具有许多不同取向的晶粒。图6至图9的图像中示出的微结构是使用组成为Sn/2.25％Ag/0.5％Cu/6％Bi的Violet合金形成的互联，其中百分比是重量百分比，并且Sn形成该组成的余量。图6和图8是在回流焊和凝固之后拍摄的图像，而图7和图9是在调节处理之后拍摄的图像，该处理包括在125℃下加热样品50小时，然后使样品冷却，接着进行原始回流焊和凝固过程。
表1示出了所研究的各种合金组合物，给出了组分的重量百分比。当组合物中未确定Sn的百分比时，假定Sn构成了组合物的余量。使用SnPb和SAC305作为用于比较的标准。对合金组合物进行不同的热处理，即高于Bi在Sn中的溶解温度(固溶线以上)和低于Bi在Sn中的溶解温度(固溶线以下)。使用DSC(差示扫描量热法)和微结构分析通过实验确定每种含Bi合金的固溶线温度。例如，图20示出了针对Sunflower组合物获得的DSC扫描图。图10示出了Sn和Bi的组成的固溶线温度曲线，其中Y轴表示以摄氏度计的温度变化，X轴表示Bi的百分比从左到右增加；其中左侧是100％的Sn。图10中显示的曲线的部分是图14中所示相图的富锡部分。图10示出了绘制在固溶线曲线上、由实验确定的Senju、Violet和Sunflower组合物(在表1中定义)的固溶线温度。
表1：研究的合金
表2描述了应用于各种焊接合金的热处理参数；所测试合金的组成在表1中定义。(“+”符号表示合金已经在左栏中描述的条件下进行了测试。)无铅合金的固溶线可以在图10中找到。
表2：热处理的实验参数
来自表2中所述实验的数据已经表明，通过将合金加热到固溶线以上或固溶线附近的温度，可以实现晶粒细化和小的Bi颗粒更均匀分布的期望结果。实验数据表明，在高于固溶线的温度下暴露超过24小时或在低于固溶线的温度下暴露100小时或更长时间，在晶粒细化和小的Bi颗粒更均匀分布方面获得了良好的结果。
已经发现，通过采用多个加热冷却循环，可以显著减少实现晶粒细化和Bi颗粒更均匀分布的期望结果所需的时间。虽然尝试了使用多达8个加热循环的实验，但发现即使使用少至在固溶线以上的温度下停留10分钟的两个循环，仍产生具有不同取向的小晶粒结构。
因此，发现了可以改善由含Bi无Pb合金制成的焊点的热处理方法。在具体实施方案中，加热温度是组合物的固溶线上或附近的温度。固溶线温度附近的温度可以包括低于固溶线最多约15℃的温度、低于固溶线最多10℃的温度或低于固溶线最多5℃的温度。在另一个实施方案中，固溶线附近的温度可以包括高于固溶线最多约40℃的温度、高于固溶线温度最多约30℃的温度、高于固溶线最多20℃的温度、高于固溶线最多10℃的温度、或高于固溶线最多5℃的温度。
在另一方面，含铋无Pb合金是包含至少2重量％Bi的合金。在又一方面，合金具有约0至约5％Ag、约0至约1％Cu和约1％至约10％Bi，其余为Sn(百分比为重量百分比)。在另一个实施方案中，含铋无铅焊料的组成为>0至约5％Ag、>0至约1％Cu和约2％至约7％Bi，其余为Sn(百分比为重量百分比)。
在又一方面，选择退火或循环处理的热处理温度，使得其不超过在选定的加热持续时间内会损坏电路板的其他方面的温度，该电路板由焊料形成其一部分。
在具体的方面，热处理步骤16包括在回流焊之后的以下附加子步骤：
(1)根据用于焊料组合物的合金，将电子组合件加热到合金固溶线附近的温度。例如，对于图10和表3中所示的焊料组成，温度可以为45℃至125℃。
(2)使互联热暴露以实现全部Bi颗粒溶解且随后沉淀的Bi颗粒在Sn中的均匀分布以接近r＝0条件。其中r是Bi颗粒的半径，并且Bi颗粒的半径r在数学上表示为退火时间t的函数，以抛物线关系表示，即r2＝Kt。抛物线系数K是温度T的函数，以K＝K0exp(-Qk/RT)的阿伦尼乌斯方程表示，其中R是气体常数。
(3)冷却至环境温度以进行重结晶，并从Bi在Sn中的固溶体中沉淀出均匀的Bi颗粒。
表3：实验确定的固溶线温度
确定各组成的重量百分比，其中Sn构成组成的余量。
预调节可以进行几分钟或几小时且最多几天，以实现焊点中Bi颗粒的完全溶解和Bi在所有晶粒上的均匀分布。时间和温度持续时间取决于所选择的含Bi合金。例如，Violet合金需要最多50小时的热处理以便完全溶解Bi。在非优化条件下，例如在并非最佳的温度或时间下进行预调节(或再调节)可以导致部分溶解，这也可以提供相比没有经历热处理步骤的样品得到改善的Bi颗粒尺寸和/或颗粒分布。在非优化条件下的预调节或再调节仍然可以根据应用提供具有可接受性能的焊料互联。
在实践中，可以选择退火或热循环步骤的时间和温度以提供合适的调节结果，并且该退火或热循环步骤的时间和温度也适合或符合其他制造要求。例如，可以使用的温度范围为约25℃至约180℃、约25℃至约160℃、约25℃至约130℃、约75℃至约180℃、约75℃至约160℃、或约75℃至约130℃。在另一个实例中，温度可以为125±15℃或120±5℃。例如，单步退火过程的时间可以为约10分钟至约300小时、约10分钟至约100小时、约10分钟至约50小时、约10分钟至约24小时、约2小时至约50小时、或约2小时至约24小时。多循环加热过程的一个循环的持续时间可以为约5分钟至约8小时。
已经发现，从各向异性取向的大晶粒到许多各向同性取向(非取向)的小晶粒的晶粒结构的焊点重结晶由于改善的蠕变和疲劳性能以及改善的整体模量而导致焊点可靠性得以改善。
焊点改进的中间指标是硬度，已知其与焊点可靠性相关。与在室温和高温下随时间而失去其硬度的SnAgCu(SAC)合金相反，含Bi合金在相同条件下是稳定的并且保持恒定的硬度。
因此已经发现，如图11和图12中所示的Sn(Ag)CuBi合金随着时间的推移硬度增加或保持稳定。这阐明了关于Bi和Cu的二元和三元合金性能。在图11和图12的条形图中，Y轴表示硬度标度表面洛氏硬度15x(Rockwell Superficial 15x)，其是指在15N的载荷下测量的表面压痕或深度小于标准的压痕的硬度，其中x表示压头的直径为1/4英寸。
在这方面，已经公开了这些合金的可靠性。关于SnAgCuBi合金的可靠性研究结果的总结可以参见参考文献：Journal of Microelectronics and Electronic Packaging(2015)12,1-29。
含铋合金在有机可焊性防腐剂(OSP)涂层上形成了优异的接合。界面金属间层的厚度和形状与SnPb焊料相当，但比SAC305更薄。焊料组合物Sn2.25Ag0.5Cu6Bi(Violet)不仅与OSP兼容，而且与无电镀镍浸金(ENIG)和无电镀镍无电镀钯浸金(ENEPIG)兼容，并且在BGA和含铅组合件二者上与均一的金属间化合物层形成优异的焊点。
测试的所有合金组合物(Paul(Sn3.4Ag4.8Bi)、Violet、Orchid(Sn2Ag7Bi)、SAC305和SnPb)、表面涂层(OSP、ENIG和ENEPIG)和板层压板(正常和高玻璃化转变(Tg))均通过了航空航天ATC鉴定要求的55℃至125℃下的1000次循环。对于无Pb低熔点合金(Paul、Violet和Orchid)和SAC305合金进行最高3010次循环，在高玻璃化转变板和正常Tg板上均没有出现焊点失效。所有三种实验合金(即Paul、Violet和Orchid)在恶劣环境热循环中表现出优异的性能。
振动失效分析是基于2G和5G的100万次循环，用于通过抗性监测来发现失效。发现Violet的最低失效率在2-G和5-G水平；其失效率优于SnAgCu焊料合金。
在125℃下随时间的微结构改进示于图13中。在Bi颗粒溶解和Bi在晶界上沉淀期间形成的小的等轴晶粒(在图14的示意图中示出)提供了优异的蠕变和抗疲劳性。
目前，管理焊接材料使用的电子行业标准集中于在适当的制造条件下使用经批准的焊料金属合金、可接受的污染物水平和适当的焊剂材料。没有解决高可靠性的具体工艺参数。相关的电子行业IPC标准在下文列出。
该标准包括IPC J-STD-001焊接电气和电子组件要求、J-STD-001xS空间硬件附录、J-STD-004、J-STD-005焊膏要求、J-STD-006电子级焊料合金和带焊剂及不带焊剂固体焊料用于电子焊接应用的要求、IPC-A-610电子组件的可接受性、IPC/WHMA-A-620空间硬件附录、IPC/WHMA-A-620的空间应用电子硬件附录。
每种材料的热处理参数是不同的，并且可以通过实验进行确定和验证。
上述热处理工艺可以用于电子组合件制造工艺中。
关于热处理步骤16在修复中的应用，还认识到无铅焊料互联微结构随时间而发生粗化。Sn晶粒尺寸增加，Bi或其他沉淀物变大，并在晶界周围形成实心边缘。这些特性导致焊点功能退化。
热处理步骤16允许用固溶体和沉淀硬化来修复无铅合金的微结构和性能。
将组合件加热到固溶线附近的温度，以使Bi颗粒溶解在Sn中。例如，可以将组合件加热至约65℃至100℃，持续约15至30分钟。在加热步骤之后，使材料冷却。在冷却期间，新的小颗粒将在Sn基质中均匀沉淀，这将改善热机械性能。
蠕变速率实验数据提供了在现场老化之后通过调节处理改善机械性能的进一步证据。图19示出了与SAC相比，Violet合金(如上定义)老化后的蠕变速率。通过在低于固溶线即70℃下烘烤焊点300小时来模拟老化。在120℃下处理老化样品24小时足以提供抗蠕变性的显著改善。在使用Violet合金的该实验中，在更高温度如120℃下额外处理长达300小时没有显示出显著的额外获益。然而，在更高温度和更长时间段进行额外处理可以提供一些额外的获益，其在某些情况下可能是显著的。
为了简单和清楚地进行说明，在认为合适的情况下，可以在附图中重复使用附图标记以指示对应或类似的元件。另外，阐述了许多具体细节以便提供对本文所述实例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本文描述的实例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程和部件以免使本文所述的实例模糊不清。而且，该描述不应被视为限制本文所述实例的范围。
应当理解，本文使用的实例和相应的图表仅用于说明的目的。在不脱离本文表达的原理的情况下，可以使用不同的配置和术语。
本文所述流程图和图表中的步骤或操作仅用于示例。在不脱离上述原理的情况下，这些步骤或操作可以有许多变化。例如，可以以不同的顺序执行步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。
尽管已经参考某些具体实例描述了上述原理，但是如所附权利要求中概述的，本领域技术人员将清楚其各种修改。
本文引用或描述的所有现有技术的公开内容通过引用整体并入本文。

Claims (21)

1.一种用于调节组合件中焊点的方法，其包括：
-i)获得具有焊点的组合件，其中所述焊点是包含Bi和Sn的无铅焊点，和
-ii)将所述组合件加热到合金的固溶线温度附近的温度，
-其中，当所述组合件冷却时，铋颗粒比加热步骤之前更小并且更均匀地分布在所述焊点中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述无铅焊点包含至少2重量％的Bi，其余为Sn。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述无铅焊点还包含Ag和/或Cu。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述无铅焊点包含0至5重量％的Ag、0至1重量％的Cu和2重量％至10重量％的Bi，其余为Sn。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中Bi的浓度为2重量％至7重量％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述固溶线温度附近的温度为低于固溶线最多15℃的温度至高于固溶线最多40℃的温度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述固溶线温度附近的温度为25℃至180℃。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述固溶线温度附近的温度为25℃至130℃。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述温度为75℃至180℃。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述温度为75℃至130℃。
11.根据权利要求6所述的方法，其中所述温度为125±15℃。
12.根据权利要求6所述的方法，其中所述温度为120±5℃。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述加热步骤是持续时间为10分钟至300小时的单循环处理。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述持续时间为10分钟至100小时。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述持续时间为10分钟至50小时。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述持续时间为10分钟至24小时。
17.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述加热步骤是包括2个或多于2个加热循环的多循环处理。
18.根据权利要求17所述的方法，其中每个加热循环的持续时间为5分钟至8小时，每个加热循环之间具有一段冷却时间。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述调节发生在用以形成所述焊点的回流焊步骤之后。
20.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述调节发生在使用所述组合件一段时间之后。
21.一种制备电子组合件的方法，其包括：
a)沉积含铋的无铅焊膏
b)放置表面安装部件
c)回流焊接，和
d)通过权利要求1至20中任一项所述的方法来调节含铋的无铅焊点。
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