低温焊料成为芯粒与光子技术的关键材料

在芯粒时代，低温焊料的应用价值愈发凸显。它能够大幅降低封装翘曲问题，同时适配硅光子器件、发光二极管模组、柔性电路板等热敏元器件的组装需求。

目前这类焊料主要应用于移动终端、可穿戴设备、摄像模组以及超薄印制电路板，翘曲形变是这类产品制造中的突出难题。需要承载高电流密度、承受剧烈温差的高性能计算与人工智能尖端设备，短期内仍会沿用成熟可靠的SAC305焊料。但该焊料回流温度区间达235至250摄氏度，如今大尺寸、薄型化、多层堆叠的异构封装结构，已逐渐难以适配这一高温工艺条件。

以锡铋合金为基材的低温焊料，还能减少生产碳排放。其回流温度仅150摄氏度，较SAC305焊料低70摄氏度。一条表面贴装生产线改用低温焊料后，每年可减少57吨二氧化碳排放，行业整体每年有望减少3.5万至5万吨二氧化碳排放量。

高密度多芯粒封装结构下，热迁移与电迁移现象频发，这也让低温焊料再度受到行业关注。两类问题会相互作用，故障大多出现在焊点位置，而焊点本身就是互连结构中最薄弱的环节。

电迁移是电流流经导体时，电子作用力带动金属原子发生位移的现象。焊球由多种金属熔合而成，当电流密度达到临界值，金属原子会顺着电流方向扩散，在电流下游形成微小凸起结构，原有位置则产生空洞。严重的电迁移会造成线路截面大幅缩减，进而引发断路；凸起结构还可能搭接相邻线路，造成电路短路。

热迁移则是材料内部因温差引发的物质迁移，原子通常从高温区域向低温区域移动，特殊情况除外。芯片背面供电结构会加剧局部热点问题，前端芯片器件与背面供电网络衔接处的热隐患尤为明显。异构处理器倒装球栅阵列封装中，高电流会使芯片侧产生焦耳热，进而引发底层焊球出现热迁移故障。多家芯片厂商均反馈，处理器与存储芯片的倒装球栅阵列封装，陆续出现枕形空洞、线路桥接、虚焊断路等问题，低温焊料有望解决这类缺陷。

STATS ChipPAC的Nokibul Islam在相关论文中表示：“低温焊料一大核心优势是熔点更低，能够减少芯片组装全过程产生的应力。同时还可以显著节约能耗、降低生产成本。较低的加工温度能够避免热敏元器件在焊接时发生翘曲，保障产品结构完整性。”

近期针对低温焊料可靠性的测试得出多项结论：

1. SAC305焊料的电迁移由锡铜金属间化合物中的铜元素迁移主导，材料延展性优异，可延缓电迁移失效；

2. 锡铋系焊料的电迁移以铋元素扩散为主，易产生脆性断裂。添加银、镍元素的合金材料，能够缓解金属疲劳、抑制电迁移，提升使用可靠性；

3. 亚共晶锡60铋40焊料的抗电迁移性能，明显优于常规Sn-58Bi42焊料；

4. 采用强脉冲光辐射加热的新型焊接工艺，对比传统回流焊，成品可靠性与生产效率更高，碳排放也更低。

行业研发低温焊料的历程距今已有二十余年，最初研发初衷是替代传统锡铅焊料中的有毒铅成分。

无铅焊料的发展开端

2006年欧盟颁布有害物质限制指令，全球电子制造行业逐步淘汰焊点中的铅材料，航空航天、军工等高可靠性领域为特例。此后SAC305成为主流无铅焊料，该合金按重量占比包含3%银、0.5%铜，其余成分为锡。其熔点处于217至221摄氏度，远高于传统锡铅焊料183摄氏度的熔点。焊料升级后，行业不得不改用耐高温印制电路板及配套物料。

彼时回流温度150摄氏度的锡铋焊料也曾被视作热门备选方案。但锡铋合金一旦混入微量铅元素，就会形成性质稳定的三元合金。受限于当时设备表面镀层普遍含铅，铅污染风险居高不下，锡铋焊料最终被搁置。

SAC305与Sn-58Bi焊料性能对比

由国际电子制造产业联盟组建的研究团队，汇聚IBM、英特尔、新光电气、铟泰等企业专家，评定Sn-58Bi42合金是目前应用最广泛的低温无铅焊料。自2015年起，该团队持续筛选适配材料，力求找到可直接替代SAC305焊料的低温产品，满足大规模量产对机械性能、冶金特性与可靠性的要求。锡铋焊料现已应用于超薄电路板生产与电路板返修工序，可避免元器件反复经受高温焊接。

不过行业尚未敲定通用替换方案。近共晶锡铋焊料存在脆性偏大的短板，存在可靠性隐患。共晶点指合金能够熔化的最低温度，对应固定成分配比。为改善材料特性，研发人员尝试掺入银、铜、镍、锑等微量金属，经过温度循环、高温存储、跌落冲击等全项可靠性测试后，优化焊球结构强度与稳定性。

研究团队对两类焊料的电迁移性能开展对照测试，结果显示，SAC305焊料发生电迁移时的电阻阈值，比锡铋焊料高出两个数量级。测试样品采用底部引脚式元器件，芯片与电路板端均设置铜焊盘，焊球按照各自标准温度完成回流焊接。部分焊点施加三档不同电流与温度载荷，其余焊点用于观测老化带来的性能变化。

高电流与高温环境会促使焊球内部产生电迁移，焊点电阻随之上升，空洞会在电路板侧的阴极界面逐步形成并扩大。锡铋焊料中，铋原子会从阴极向阳极移动，空洞扩大后电阻急剧攀升，最终引发电路故障。

业内对SAC305合金的电迁移机理已有成熟认知。电迁移初期，铜锡金属间化合物从阴极向阳极缓慢迁移，电阻平稳上升。铜元素在锡材质中扩散速度较快，通电受力后阴极区域锡占比升高，阳极铜元素富集并生成金属间化合物，焊点整体电阻增大。空洞沿金属间化合物与焊料的界面处扩张融合，形成贯通裂纹，最终造成电路断路。

SAC305焊料电迁移以铜原子运动为主，锡铋焊料则以铋原子迁移为核心变化。锡铋焊料电迁移初期，铋、锡晶粒会粗化长大，电阻短暂下降；随后铋原子持续向阳极聚集堆积，形成致密镀层，直至铋元素耗尽，电阻先线性上涨后趋于平稳。

研究人员分别在近共晶锡铋合金、铋含量40%的亚共晶锡铋合金中，添加银、铜、镍、锑元素并开展测试。本次测试采用平面结构试样，设置三档温度与三档电流参数。

测试发现，这类亚共晶焊料抗电迁移表现更佳，但性能提升并非源于合金掺杂改性。研究人员表示，亚共晶锡铋合金的电迁移速率显著低于共晶Sn-58Bi合金，掺杂元素对电迁移抑制作用微弱；铋是主导电迁移的核心元素，亚共晶焊料铋含量更低，因此电迁移问题更轻微。

新型焊接工艺提升成品可靠性

球栅阵列封装普遍存在焊点开裂故障，封装体与印制电路板热膨胀系数差异大、封装尺寸不断增大，叠加反复温度、电压载荷作用，都会诱发裂纹。三星电子研发团队将熔点131摄氏度的低温焊料与常规SAC305焊料对比，分别采用传统回流炉、强脉冲光两种方式加工。

团队介绍：“光线照射封装体时，凭借光热效应可直接产生热量，设备无需提前预热，焊接工序耗时大幅缩短。同时热量损耗更少，能源利用效率更高。”

研究不仅对比焊球材质，也测试低温焊膏与SAC305焊膏的性能差异。焊接完成后，样品经受0至125摄氏度温度循环测试，单次循环时长40分钟，通过扫描电镜截面观测损伤程度。传统回流工艺制作的SAC305焊点，1200次循环后出现失效；强脉冲光工艺焊点可耐受1900次循环，裂纹延展路径更长，结构破损周期更久。

强脉冲光焊接形成的焊点中，锡银化合物析出晶粒尺寸更小。细密分布的晶粒可产生弥散强化效果，阻碍裂纹扩张，有效提升耐温度循环能力。该工艺下材料处于熔点以上的时长缩短三分之二，初始冷却速率提升一倍，促成细小晶粒密集析出，可靠性优于传统回流焊。

低温焊膏搭配SAC305焊球的混合焊点，经强脉冲光加工后性能同样优异。峰值温度提升可促使铋元素渗入SAC305焊球内部，细化晶粒结构、增强可靠性。纯低温焊点的形变应力均匀分布在整体结构中，混合焊点的热膨胀应力则集中在底部焊膏区域。强脉冲光加工的焊点铋晶粒尺寸更小，进一步加固焊点结构。

光子器件适配焊料选型

人工智能数据中心建设带动光子器件需求增长，这类产品对加工高温极为敏感，焊接峰值温度直接影响硅光子器件的使用性能。

STATS ChipPAC、长电科技、嘉善复旦研究院的研发团队开展可靠性研究，比对锡铋银、锡铋银镍两类焊料在铜焊盘、金焊盘上的微观结构与使用表现，筛选适配光子设备的低温焊料。研究人员指出，低温焊料选型需综合考量机械可靠性、加工适配性、环保属性、供应链稳定性与生产成本。

光子器件需承受零下40摄氏度至85摄氏度的温度循环，热膨胀系数差异会让元器件互连结构持续承受应力作用。

团队观测倒装焊接、温度循环、高温存储全过程中，两类锡铋系焊料的金属间化合物生长情况，并以SAC305工艺作为参照。测试样品为芯片级叠层封装，上层芯片表面镀铜作为底层金属层与防护镀层，下层芯片搭载焊球。实验设置四种镀层组合，采用慢速降温方式削弱热膨胀差异带来的影响。

测试结果显示，镍元素可抑制金属间化合物生长，铜镍金镀层界面的化合物生长速度，慢于纯铜镀层界面。全程加工流程里，锡铋银合金的铋元素分布均匀度略优于锡铋银镍合金。低温焊料生成的金属间化合物厚度，远小于SAC305焊料。所有样品均顺利通过可靠性检测，金属间化合物的生长程度，是判定焊点可靠性的关键指标。

总结

SAC305焊料仍是行业主流成熟材料，但面对其无法解决的封装故障问题，锡铋基低温焊料已成为重要替代方案。随着封装尺寸扩大、芯片与电路板热膨胀差值增加，互连引脚数量突破千个，倒装球栅阵列封装的枕形空洞、线路桥接、虚焊断路等缺陷日益多发。

低温焊料尤其是锡铋银合金，回流温度大幅降低，既能减少芯片内部应力、压缩焊接成本、降低生产碳排放，也可满足大尺寸、薄型化、高热敏性封装的组装要求，同时改善封装翘曲这一常见失效诱因。