为了将科技与商业应用联系起来，本系列文章的第4部分继续讨论两个关键问题：为什么SAC不能成为电子电路的通用互连材料，为什么四元合金系统能够提供更有效的方法（注意： 本文提到的四元系统不包括掺杂有一种或多种元素的SAC）。该系列的第三部分，可点击阅读
对于外形尺寸很小的电子产品，要求采用功能越来越多、功率越来越高的高级电子电路板，而对于这类电路板，其可行的焊接接点材料的设计准则是这些材料需具备可靠的、优于63Sn37Pb合金的物理属性和机械性能。
另一个准则是所提供的合金能够适应已建立的电子制造基础结构，基础结构包括生产流程、工艺参数，并能够与PCB和各种元器件热稳定性兼容。关键工艺参数之一是回流焊接工艺中所要求的最低峰值温度，使批量生产能够实现高产量，同时不会对PCB和元器件的内部结构引入生产缺陷和/或潜在的热损伤。 为此，合金应具有“敏捷”的润湿能力和兼容的熔融（液相线）温度。在这方面，润湿能力不仅能控制界面冶金相互作用，而且还能控制与回流焊工艺固有特性同步的相互作用速率。
考虑到这些准则，一种可行的合金应该具有适当的抗热疲劳性，能够经受微电子和电子应用中日益不利和恶劣的条件，同时提供适度的熔融温度（170°C-215°C，更理想的是175°C- 213°C）以适于稳定的可制造性，同时不会造成不适当的热损伤。
这是自从20世纪80年代后期以来，我的许多专业开发课程、研讨会、网络研讨会和出版物中，包括美国专利6176947（1999）在内，所述的四元合金设计起源。
具备更高的抗热疲劳性能的能力对于将那些大功率大尺寸IC元件连接到电路板上尤其重要，因为这些元器件在通电/断电期间及温度升高过程中在焊点上施加了更大的热应力。在移动电子产品中，这些与热量变化相关的应力可能会与产品使用寿命期间发生的与机械冲击相关的应力组合在一起。
SnAgCuBi是所研究的四元系统之一。此外，重要的是要强调设计SnAg-CuBi系统的科学基础不是在SAC合金中添加元素（在这种情况下是Bi）。相反，它是一种整体性的材料创新，在考虑常见的焊点失效机理的基础上，采用了冶金原理的基础科学和工程学。换句话说，目标是减轻那些可能的失效机理，焊点通过在芯片级、封装级和电路板上充当电气、热量和物理通道，将强大的半导体芯片可靠地连接到外部。
与标准合金相比，适当组成的SnAgCuBi合金系统（含2.5-3.5％Ag，0.2-2.5％Cu，0.5-4.0％Bi，其余为Sn）的性能如何？ （注：本文表达的所有组成均为重量百分比）。
与SnPb 共晶合金——63Sn37Pb对比
以Sn3.0Ag0.5Cu2.0Bi为组成实例。根据ASTM标准E606-92（应变可控疲劳测试标准方法），它比63Sn37Pb具有更高的强度，疲劳寿命比63Sn37Pb长200％。
与SnAg共晶合金——96.5Sn3.5Ag相比
Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi合金的熔点为209-212℃，比共晶合金96.5Sn3.5Ag（221℃）低9℃。与96.5Sn3.5Ag的基本机械性能相比，Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi合金具有更高的强度和更长的疲劳寿命，疲劳寿命长150％以上。
与SnCu共晶合金——99.3Sn0.7Cu相比
与共晶合金99.3Sn0.7Cu相比，Sn3.0Ag0.5Cu3.0Bi的强度和疲劳性能明显更好，但塑性低于共晶合金99.3Sn0.7Cu。其熔融温度比共晶合金99.3Sn0.7Cu低15℃。
与SnAgCu近共晶合金——Sn3.0Ag0.5Cu（SAC305）相比
Sn3.0Ag0.5Cu2.0Bi具有较高的强度（屈服强度和拉伸强度都较高以及较长的热疲劳寿命）。与SnAgCu相比，SnAgCuBi的另一个重要优势是具备较低的液相线温度。Sn3.0Ag0.5Cu2.0Bi的液相线温度比SAC305低7℃。 此外，SAC系统达不到SnPb或SnCu的固有润湿能力。由于SAC305的液相线温度高，倾向于采用低于最佳温度的工艺峰值温度，因此往往会导致临界工艺，使SAC305本来就不佳的润湿能力更差了，增加了潜在的生产缺陷。
从印刷电路板组件的完整性角度来看，互连焊料合金的液相线温度在减轻组件或PCB的任何潜在缺陷或热损伤方面起着重要作用，这些缺陷或组件热损伤在生产车间或质量控制验证期间可能检测到，也可能检测不到。从焊点可靠性来看，抗热疲劳性是电路板性能和可靠性的重中之重。
总之，SnAgCuBi系统比任何实用的二元合金（如63Sn37Pb，96.5Sn3.5Ag或99.3Sn0.7Cu）和三元合金（如SnAgBi和SnAgCu）都具有更稳定的性能。与SAC305相比，Sn3.0Ag0.5Cu2.0Bi具有更高的强度（屈服强度和拉伸强度）。更重要的是，在恶劣条件下（例如，大的温度波动，高温过程），其热疲劳寿命更高。与SnAgCu相比，SnAg-CuBi更重要的优势在于其较低的熔融温度和优异的固有润湿能力。实际组成的熔融温度比SAC305低9℃。
SnAgCuBi组成可以低几度熔融，有利于将其用于电路板制造。对于不同的PCB组件和工艺窗口要求实现高产量、低生产缺陷率，熔融温度低于215°C的合金被认为是提供稳定可制造性所必需的。
本系列文章的第5部分将概述SnAgCuBi系统中4种元素（Sn，Ag，Cu，Bi）的基本运行机理，及与理想性能特性相关的元素用量。
关于作者：黄博士是一位国际商务女强人、国际演讲人、商务与技术顾问，她一直致力于自SMT技术及无铅电子的发展，是该行业的领军人。她曾荣获多项殊荣，曾入选《技术女性》的国际名人堂，曾入选美国国家工程院，被授予R＆D-Stars-To-Watch和YWCA成就奖获奖者。她曾在洛克希德马丁公司，Sherwin Williams Co.，SCM Corp和IEM Corp.担任高级管理职位，目前是H-Technologies Group的首席执行官，负责提供业务、技术和制造解决方案。她同时担任国防部陆军研究实验室董事会评估主席、商务部出口委员会成员、国家材料与制造委员会成员、各种国家委员会成员、财富500强纽约证券交易所公司以及民间和大学委员会成员。黄女士还拥有多个国际领导职位。她出版了500多种出版物和多本书籍，并担任贸易、商业、教育和社会问题的演讲者和作者。 她获得了4个专业课程的学位，还完成了哈佛商学院执行课程和哥伦比亚大学企业管理课程。 欲了解更多信息，请访问www.JennieHwang.com
