随着WEEE指令的宣布，到2006年，一些含铅电子设备的生产和进口在欧盟将是非法的，以及国外竞争者在世界范围内推广无铅电子组件，各种合金混合物的完整性和可靠性越来越受到关注。总之，选择哪种合金的问题变得越来越重要。本文将深入研究Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu三种合金，并将它们的可靠性试验结果与工艺考虑进行比较。
锡银合金
Sn/Ag3.5-4.0合金在混合电路和电子组装工业中已经使用了很长时间。由于这个原因，一些制造商认为使用锡/银作为无铅替代合金是合适的。不幸的是，这种合金有几个问题。首先，这种合金的熔化温度(221℃)和峰值回流温度(2400-260℃)对于许多表面贴装元件和工艺来说偏高。此外，这种合金还含有3.5-4%的银，这限制了一些应用的成本。最主要的问题是这种合金会引起银相变，导致可靠性试验失败。
我们注意到，在疲劳试验期间，Sn96/Ag4在一个循环设置中出现故障(结果如表1所示)。对这个问题的进一步研究得出结论，故障是由相变引起的。相变是由合金不同区域的不同冷却速率引起的。
为了进一步研究这个问题，将Sn96/Ag4覆盖的电极回流并从底部强制冷却，以便观察暴露于不同冷却速率的合金的微观结构。Sn96/Ag4合金根据不同的冷却速度产生三种不同的相。因此，认为焊料互连中也会存在同样的脆性结构，导致焊料区失效。由于这个原因，大多数原始设备制造商和工业联盟都反对使用Sn/Ag作为主流无铅合金。银相变的存在也提出了关于高银Sn/Ag/Cu合金的问题。
锡/银/铜合金
尽管有专利保护，但在世界大多数地方，锡/银/铜合金是首选。但是选择什么样的合金配方呢？本文将重点介绍两种Sn/Ag/Cu合金:各种工业联盟推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相应的低银含量的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金。
两种锡/银/铜合金的比较
在讨论这两种合金系统的可靠性试验结果之前，根据经验比较这两种合金是有益的。总的来说，两种合金非常相似:都具有优异的抗疲劳性能，整体焊点强度好，基础材料供应充足。但两者之间也有一些微妙的区别，值得探讨。
熔点
两种合金的熔点非常相似:Sn/Ag4/Cu0.5的熔点为218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5的熔点为217度。这种差异是否会影响实际应用，业内有争议。但是，如果能够严格控制回流工艺，较低的熔点温度将通过减少元件承受高温的时间来带来好处。
弄湿
对比两种合金，自然会质疑选择含银量高的合金，因为含银量高会增加产品成本。推测高银合金有助于改善润湿性。然而，润湿测试结果表明，含银量低的合金实际上比含银量高的合金更坚固和更快。
专利状况
工业界渴望找到一种可广泛使用的合金。所以专利合金不是很受欢迎。虽然Sn/Ag4/Cu0.5合金没有申请专利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已经申请了专利，但是在选择时需要充分了解两种合金的专利绑定效果和实际供应来源。
如上所述，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金已经获得专利。但已授权给焊锡厂家，授权用户无数量限制，无转让费。目前，这种合金可以通过北美、日本和欧洲的几家焊料制造商在全球范围内获得。虽然Sn/Ag4/Cu0.5合金还没有获得专利，但是这种合金制成的焊点获得了专利，在美国获得授权销售这种产品的电子级焊料制造商数量极其有限。
虽然Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊点可能会侵犯现有专利权，但业界仍然推荐使用这种合金。人们认为将先进技术应用于该系统可以避免专利纠纷。但这种想法是错误的，因为大部分专利说明书都会涉及合金成分和应用范围(焊点)。换句话说，如果能确认在先工艺，就有可能突破专利合金成分限制。但如果专利说明书完善，还是要对陈述电子组装焊接具体用法的申请部分提出质疑。一般来说，这意味着即使制造商使用的是专利规定范围之外的合金(如Sn/Ag4/Cu0.5)，如果该合金在制造过程中“意外获得”了基底金属成分(一般为铜)，从而形成了含有专利规定范围内成分的金属间化合物，那么制造商将被法律判定为侵犯专利权。金属成本
专利中规定的银含量范围为3.5%至7.7%。如此高的银含量使得焊料的广泛使用变得昂贵；填充波峰焊锅时，每1%的银增加约0.66美元/磅的成本(见表2)。为了控制成本，建议在波峰焊应用中使用不含银的无铅合金，在表面安装应用中使用含银合金。然而，如下所述，由于Sn/Cu和双合金工艺的缺点，使用这种方法会导致失败。
锡/铜的工艺缺陷
虽然控制成本的想法是合理的，但在引入Sn/Cu时，有几个因素需要考虑。首先，这种合金的熔化温度是227度，这限制了它在许多温度敏感应用中的应用。此外，其润湿性比其他无铅焊料更差，并且已被广泛证明在许多应用中应引入氮和强活性助焊剂，这会引起与润湿相关的缺陷。再者，一般来说，Sn/Cu的表面张力较低，在实施PTH技术时容易入筒，缺乏表面贴装组装过程中所需的疲劳强度。最后，这种合金抗疲劳性能差会导致焊接区失效，从而抵消了节约成本的初衷。
双合金组件
还需要注意的是，除了Sn/Cu引起的相关问题，使用双焊料合金(SMT工艺使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在问题。不提倡Sn/Ag/Cu和Sn/Cu混合使用，因为会造成合金焊点的不均匀性。如果发生这种情况，制造的焊点将易于疲劳失效，因为应力和应变无法消除。由于这些潜在的混合问题，有必要列出这两种合金的库存，并给出具体的指示来监控它们，以使这两种合金不会混合。然而，经验表明，无论对这种情况的监控有多好，操作者都倾向于使用可用性最好的焊料，即流动性最好且熔化温度较低的焊料。因此，虽然焊点最初是由Sn/Cu组装的，但许多修复工作可能是由Sn/Ag/Cu合金完成的。如果两种产品都在生产现场使用，那么RA将被普遍使用，而不仅仅是易用性的问题。双合金组装工艺的关键问题是会导致潜在的可靠性失效，难以有效监控。
焊点的可靠性测试
为了分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，进行了各种热和机械疲劳试验。描述和测试结果如下:
热循环测试结果
测试板由Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5以及1206薄膜电阻制成。然后，在-40度至125度的温度范围内，以300、400和500次15分钟的循环对板进行热冲击。然后切割焊点，检查是否有裂纹。
试验后检测结果表明，一些焊点断裂是由于Sn/Cu合金润湿性差造成的。此外，当经受第三次500循环测试时，成形良好的Sn/Cu焊点也显示出断裂。
有趣的是，Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金在多达500次重复测试后没有断裂的迹象。这说明Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu无法比拟的优异的抗热疲劳性能。然而，值得注意的是，Sn/Ag4/Cu0.5合金焊点的晶粒结构在热循环处理后确实发生了变化。
机械强度-柔韧性试验
测试板由Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5、Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5和1206薄膜电阻制成，测试其柔性。由Sn/Cu0.7制成的焊点在柔性试验中断裂，说明焊点不能承受大范围的机械应力处理。相反，由Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5制成的焊点满足挠性测试的所有要求。
混合解决方案
为了消除电子行业的隐患，开发了完全无铅的组装混合解决方案。她利用粗糙的锡铅制品(QFP 208 IC)、有机表面保护剂PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏组成系统，以较低的复杂度或成本实现了完全无铅组装的目的。成功的关键在于这种组装方式能够承受峰值温度234度的回流加热。应该注意的是，这种组装方法必须在惰性环境中处理。当然是限于元件的效用，以及元件的热容量，夹具固定等原因？%=T变化，其实并不是所有的组装工艺都能达到234度的板温峰值，所以也不是所有的组装都能进行上述处理。但是，它给了我们一个重要的提示:在某些情况下，通过引入一些材料，可以很容易地实现无铅焊接。结论
无铅焊接已经受到广泛关注。很多都是出于对监管环境的担忧和对市场行为的推动。这极大地刺激了活动的发展，其中一些活动有利于行业的发展。和加工可靠性与Sn/Cu合金的使用有关。此外，使用两种合金组装电路板也存在问题。如上所述，银是Sn/Ag/Cu合金的高成分。与低银合金相比，高银合金在加工、可靠性或实用性方面没有特别的优势，因此在所有焊接应用中使用较便宜的合金是合理的。事实上，低银合金不存在高银合金潜在的银相变问题，而且可以改善润湿性，熔化温度略低。这种合金可以从世界各地的几家制造商那里买到。最重要的是，低银Sn/Ag/Cu合金体现了Sn/Ag/Cu合金体系的许多优点，没有成本限制，因此可以用于所有的焊接操作。从而消除了采用锡铜合金和双合金工艺带来的相关问题。
