纳米压痕法测试SAC0307-xCe循环加载-卸载下的力学行为研究

1、哈尔滨理工大学学士学位论文纳米压痕法测试SAC0307-xCe循环加载-卸载下的力学行为研究摘 要目前，电子行业的主要方向是使电子产品向着小型化、高集化发展。这样的发展方向必然会带来越来越多的问题和挑战，小型化电子产品在运输和使用过程中容易因为随机振动或者是跌落冲击而造成产品损坏，这使人们对电子产品的可靠性要求大大提高，因此对BGA焊点的力学行为研究具有重要的意义。在众多的无铅钎料系列中，低银Sn-Ag-Cu系列钎料因其具有良好的延展性，润湿性，光亮度以及机械性能，使得低银Sn-Ag-Cu系列钎料合金成为替代Sn-Pb共晶钎料的主要材料。加入微量的稀土元素，可以改善低银钎料的弹性模量，蠕变性能

2、，硬度等力学性能。虽然前人有过对Sn-Ag-Cu钎料添加稀土元素的研究，但是在循环加载条件下对其添加稀土元素Ce的研究相对较少。本文以Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCe（其中x分别为0, 0.03%，0.05%, 0.07%, 0.10%）无铅钎料为试验对象，研究循环加载条件下不同Ce含量及保载时间对BGA焊点纳米力学行为的影响。研究结果显示：加入稀土元素Ce以后，低银Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料的强度硬度等力学性能获得改善。在Ce含量为0.07%时，钎料焊点的力学性能最优，而随着Ce含量的增加或者是降低都将会导致钎料强度和硬度的下降，弹性模量下降，脆性增加，从而导致综合力学性能下降；B

3、GA 焊点在保载阶段发生蠕变，且随着保载时间的增加，蠕变位移不断增大，而增加幅度变小。关键词：BGA焊点；循环加载-卸载；力学行为Nano indentation method test SAC0307 - xCe under cyclic loading, unloading force for researchAbstractAt present, the main point of the electronics industry is the miniaturization electronics and the high integration development. But, i

4、t can be bring more and more problems and challenges. In the process of delivery and using, the miniaturization electronics would be destroyed easily because of the random vibration and drop impact. It makes people to increase the security of electronics. So, it is more significant for the study of

5、BGA Solder Joints.In the different series of Lead-free solder, the low Ag series of Sn-Ag-cu has became the main material to instead of Sn-Pb Eutectic solder because of its good ductility, wettability, luminance and mechanical properties. If add less rare-earth element into it, it will improve elast

6、icity modulus, creep properties, dynamics of low Ag solder and so on.Even though some predecessors have been studied the test of Sn-Ag-Cu add rare-earth element, there are less experiments that add the rare-earth element of Ce under cydic loading. The exam object of the paper is Lead-free solder tha

7、t Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCe (where the x is 0, 0.03%, 0.05%, 0.07%, 0.10% respectively). The purpose of the test is that study the different influences of BGA welding spot Nano mechanical behavior in the different Ce content and hold time.The research results show that the intensity and hardness of low Ag

8、Sn-0.3Ag0.7Cu and other mechanical property can be improved after add the rare-earth element Ce. When the Ce content was 0.07%, the mechanical properties of the solder joint is the best. With the Ce content increasing or decreasing, they will lead to decline in strength and hardness of solder, elast

9、ic modulus decreased, increased fragility, then resulting in decreased mechanical properties. And BGA welding spot happen creepage in the hold time, with the hold time increase, creepage displacement increasing, and increasing range will become small.Keywords BGA Solder Joint, Cyclic loading-unloadi

10、ng, Mechanical behavior- III -目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.2.1 BGA 的研究现状11.2.2 无铅钎料的发展现状31.2.3 纳米压痕技术国内外研究现状41.3 稀土元素对SAC系无铅钎料组织及性能的影响61.4 研究目的及意义71.5 实验步骤8第2章 实验原理及方法92.1 焊球以及焊点的制备92.1.1 BGA焊球的制备92.1.2 焊点的制作102.2 回流焊试验102.2.1 回流工艺简介102.2.2 锡膏回流温度曲线的设定112.2.3 回流焊机简介112.3 金相试样的制备122.

11、3.1 实验材料122.3.2 实验设备122.3.3 试验步骤及注意事项132.4 纳米压痕法测试142.5 本章小结15第3章 实验结果分析163.1 引言163.2 BGA焊点纳米压痕实验及结果163.2.1 纳米压痕实验参数163.2.2 不同Ce含量对无铅钎料SAC0307的循环行为影响173.2.3 不同保载时间对SAC0307-0.07Ce的力学行为影响203.3 结论21结论23致谢24参考文献25附录A27附录B36- V -第1章 绪论1.1 课题背景随着现代科技的飞速发展，电子封装工艺也呈现出日新月异的进步，钎料合金常常作为连接材料被用于电子封装工艺中，把电连接起来的同时

12、也把两个焊料在物理上连接起来。熔点为183的二元Sn-Pb系列合金，主要成分是由共晶或者是近共晶组成的。在过去的几十年里，电子产业中主要是运用该合金，是最主要的选择之一，原因是其具有非常好的润湿性和可靠性1。铅对儿童的危害极其重要，有损伤其智商及身体发育的危险。因此，近几年来在电子封装与组装技术中最迫切需要解决的问题是电气与电子设备无铅化进程。与此同时，由于受经济与人们环保意识的影响回收含铅的电子产品目前而言仍然是个很大的问题，这也使得无铅钎料迈着更快的步伐向前走去。另外，由于比较小的、重量很轻的以及多功能的电子产品的迅猛发展，使得人们对于无铅钎料焊点的电学性能、力学性能以及热学性能的要求也随

13、之大大增高，即对于无铅钎料焊点的可靠性要求越来越高。因此，绿色无铅钎料合金方向成为目前世界上被广泛研究的热点之一2。作为绿色无铅钎料，Sn-Ag-Cu钎料有很好的延展性，外观光亮。为了提高Sn-Ag-Cu钎料的微观组织和力学性能，像La、Ce和Y等稀土元素被广泛的加入到无铅钎料中。中南大学的刘文生等人的研究表明，微量的稀土元素可以大大改善钎料的组织性能，细化晶粒，净化和改善金相组织。因此稀土元素在工业生产中稀土元素被称为金属中的维生素。纳米压痕技术，一般也称作深度敏感压痕技术，是目前人们所使用的最简单的测试材料力学性能的方法之一，可以在不分离薄膜与基底材料的情况下，在纳米尺度上测量材料的各力学

14、性能，如载荷-位移曲线、弹性模量、压痕硬度、断裂韧性、应变硬化效应以及粘弹性或蠕变行为等3。1.2 国内外研究现状1.2.1 BGA 的研究现状BGA的含义就是球形触点阵列。 在PCB板的背面如果按照阵列方式排列的话，排列出的球形触点被人们称之为引脚。BGA封装实例如图1-1所示。图1-1 BGA封装BGA具有以下特点：(1)成品率得到了提高。在PCB板焊接时应用了BGA焊接技术以后，使得其失效率大大减小，而且并不需要对加工工艺做一些较大的改动；(2) 现有的工艺设备可以用来焊接中心距仅仅为1.27 mm的BGA焊点。如果QFP的引脚中心距缩小到0.3 mm时，其引脚间距却只有0.1

15、5 mm，这就需要精密焊接工艺，在实际操作时是很困难的；(3)使得引脚更小，从而使得单位体积上可焊接的引脚数更多；(4) 明显改善了原本因为共面而造成的损坏的情况，共面损坏明显减少；(5)其具有非常牢固的引脚，然而之前的QFP引脚不够牢固，存在容易变形的问题；(6)BGA电性能强；(7)散热的能力很强4。更小的电子产品成为一种不可或缺的日常用品，目前国内外所面临的主要问题是体积更小而信息量更大及时间更短而处理速度更加快。为了满足日益发展的需求，焊点尺寸只能向着更加微小的方向发展，从而使得电路组装的密度得到了很大的提高。当前，有很多国家都生产、应用BGA封装件。Motorola、Cassia、C

16、itizen、National SemiconductorLSI Logic、IBM、SAT、Olint和ASE、BULL等公司（集团）目前都生产BGA封装或相关产品。据资料分析介绍：去年，美国Alphatec和IPAC两家大的BGA电子封装公司建立了PBGA生产线，经过认证可生产352700个引线的范围。目前，BGA(UBGA)已广泛应用于各个方面：汽车领域(发动机控制器、超级汽车、汽车娱乐产品) ，通信领域(传呼机、智能手机、调制解调器)，计算机领域(巨型计算机、PC、网络计算机)。例如，在1996年9月正式开始销售的Sony数字摄像机，体积约为很小，电路组件由40块IC组成，有20块UB

17、GA装件，Intel公司采用Tessera公司的UBGA组装闪速存贮器，它比采用相当的TSOP封装小80%。表1-1为BGA(UBGA)的应用范围5。表1-1 BGA/UBGA的应用范围应用/市场焊点类型引出端数基板焊接方法材料制造工艺布线间距(m)汽车Cu上加SnPb-InPb电镀丝印周边阵列25040010100陶瓷再流焊计算机SnPb真空蒸发电镀阵列210250500陶瓷再流焊电子显示屏中MCMAu.SnPb镀周边阵列63.5100110126玻璃，硅再流焊，紫外光固化树脂IC卡SnPb电镀周边140160100叠层板再流焊计算机，通讯及IC卡SnPb真空蒸发电镀阵列250300500叠

18、层板再流焊通讯设备（含BP机）SnPb真空蒸发周边2002040陶瓷，叠层板再流焊丝印阵列150200840硅再流焊镀或真空蒸发阵列22535084400叠层板，陶瓷再流焊无绳电话用功率放大器Au电镀阵列周边不等<20陶瓷热压焊手表组件Cu上加SnPb电镀丝印周边2001360叠层板压焊摄像机显示LCD及便携式电视机Au柱状凸点键合周边100140110126玻璃导电胶军用(FPA)In电镀阵列1004096三维多层硅再流焊军用In-Au-SnPb真空蒸发阵列50120100262硅，蓝宝石陶瓷冷焊1.2.2 无铅钎料的发展现状引入无铅焊料在消除对环境以及人的影响以外同样带来了新的可靠性

19、问题：(1) 在剪切力作用下的疲劳与蠕变问题；(2) 电迁移问题；(3) “锡须”现象：即从锡和锡合金层生长出微小尺寸的锡晶须；(4) “虚焊”现象；(5) “立碑”现象：无铅钎料较高的熔化温度和表面张力使封装钎焊过程中容易产生所谓的“立碑”缺陷6。几年前，欧盟提出了RoHS：禁止或者尽量少的在电器电子产品中使用含有铅等危害物质的禁限用指令以来，大量的研究用在无铅焊料和无铅焊接工艺中，并已经在消费类电子产品领域广泛使用7。为了满足当前的生产和更高的可靠性要求，新型的无铅钎料各方面性能一般要求如下：1. 无铅焊料所需元素应具备广泛的资源储备，且要考虑价格因素降低成本；2. 熔点、可焊性、粘度、密

20、度等物理性能与铅锡焊料相近；3. 具有良好的拉伸性能、剪切性能、蠕变性能、疲劳性能等力学性能；4. 热性能较为优良，热机械性能（包括热导率、热膨胀系数）表现良好；5. 良好的兼容性，能与现有的液体助焊剂、工艺、材料等相匹配；6. 无毒性。如表1-2所示，为目前常用的无铅软钎料的合金元素。表1-2目前常用的无铅软钎料合金元素合金元素相对价格(Pb为1)熔点性能Sn8.1232塑性良好，但是强度和硬度较低，易于与其他元素组成合金Ag241962良好的导热导电和延展性能，与锡组成的合金润湿性好，机械强度高Cu5.91083导电性好，可以延长焊点寿命Zn3.0419具有良好的耐大气腐蚀性Bi7.527

21、1脆性大，导热性能差I n196.2157具有显著的润湿性能和延展性能，但是价格昂贵Sb3.6631电阻率大，熔化后导电性增强由于无铅钎料刚开始使用，因此使用无铅钎料的BGA焊点是否具有长期可靠性，还不明确在使用中BGA无铅钎料的失效机制，这些都有可能会对高可靠电子产品中使用无铅钎料带来风险。目前，普遍的针对无铅钎料焊点的焊接大约有三种方式：第一种是先把有铅的器件焊接好，再单独焊接无铅器件，这个时候就需要用无铅钎料；第二种是通过转化把无铅焊件根据情况换算为有铅器件，再采用有铅工艺直接焊接；第三种是无铅器件直接采用有铅焊料焊接8。但是随着无铅器件数量的增多，前两种的方法效率低的缺点愈加的明显，所

22、以第三种方法越来越受到人们的欢迎。因此研究把有铅焊料和无铅器件混合起来焊接的工艺以及形成的焊点的各项性能尤为重要。在可靠性中所涉及的影响因素有很多，其中包括的无铅器件焊端和焊料的成分、焊料的用量、温度曲线（主要参数为峰值温度和液相以上停留时间）和焊点服役条件等。无铅器件中大多数的球栅阵列集成电路锡球的成分为Sn-Ag-Cu（SAC）合金，该合金的熔点比Sn-Pb焊料的熔点高出约34 9。1.2.3 纳米压痕技术国内外研究现状近年来，虽然国内外对焊点可靠性的研究工作已经取得了很大的进步，但是仍然有很多问题亟需解决。目前检测材料力学性能最有效的方式是纳米压痕技术，也被人们称之为深度敏感压痕技术，该

23、技术能够实现材料力学性能测量尺寸达到纳米尺度，其中可测试的力学性质包括断裂韧性、应变硬化效应、硬度、位移-载荷曲线 、弹性模量、粘弹性或蠕变行为等。纳米压痕法具有很多的优点，使用方便、操作快捷、结果准确、压痕直观、无损等，纳米压痕实验的深度范围很大，可以随着加载力的变化得到从几纳米到几百微米的不同深度的压痕10。哈尔滨工业大学的王凤江老师等人仔细研究了钎料在压力作用下的变化，通过改变不同的加载速率分别对无铅钎料Sn-3.0Ag-0.5Cu体钎料与Sn-4.0Ag-0.5Cu钎料BGA(bll garid rayra)焊点进行了纳米压痕的实验。结果表明：钎料尺寸可以影响材料的力学性能11。结果如

24、图1-2所示。图1-2 Sn-3.0Ag-0.75cu体钎料及焊点压痕P-h曲线哈尔滨理工大学的刘美娜等人对无铅钎料BGA焊点的循环力学行为进行了研究，通过Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料BGA焊点的纳米压痕法分析，保载时间、循环次数及最大载荷均对BGA焊点循环性能有着一定的影响。研究表明：当最大载荷增加时，BGA焊点的前几周循环中损伤累积较大，其后逐渐减小并趋于稳定；随着保载时间和循环次数的增加，蠕变和疲劳均会不同程度的加速焊点的失效12。如图1-3所示。图1-3 BGA 焊点的值随加载次数的变化太原理工大学的杨雪霞等人采用纳米压痕法研究焊点内IMC的力学行

25、为实验，测量得到了IMC在不同加载速率下的力学性能指标，3种不同的IMC试样均按照实际服役情况及工艺流程制备，研究得出无铅焊点内的IMC(Cu6Sn5)的弹性模量和硬度13，如表1-3所示。 表1-3 Cu6Sn5的力学性能参数值IMCE/GPaH/GPaPmax/mNPmax/mNPmax/mNCu6Sn5(SAC)98.93±3.375.18±0.1421.3023.1324.33Cu6Sn5(SC)113.55±4.585.78±0.1123.2525.7928.25Cu6Sn5(SA)102.16±3.115.55±0.192

26、1.0522.6223.841.3 稀土元素对SAC系无铅钎料组织及性能的影响想综合研究SAC系列无铅钎料的各方面性能可从以下方面进行：1. 从多元化角度设计合金成分，在降低钎料成本的同时，提高钎料的可焊性和焊点可靠性。2. 钎焊过程中加助焊剂能改善润湿，提高钎料的抗氧化性和钎焊性，但助焊剂挥发易使焊点形成宏观孔洞缺陷，因而，需采用优化钎剂与钎料合金化相结合的方式，来改善Sn-Ag-Cu钎料的工艺性能，避免氧化夹渣及孔洞等缺陷危害焊点的可靠性。3. 从焊点形成机理的角度，深入分析组织结构演变和界面行为，减小Sn-Ag-Cu钎料在凝固过程中过冷度，细化IMC晶粒；控制界面IMC层的厚度，抑制脆性

27、IMC的形成和生长，减少孔洞的形成提高焊点服役可靠性。4. 提高电子产品的实际应用价值，降低Sn-Ag-Cu合金的热膨胀系数，提高焊点在交变载荷作用下的抗蠕变疲劳寿命，改善Sn-Ag-Cu焊点抗冲击/振动性能，满足电子产品在特殊条件下的使用要求研发出高可靠性和持久耐用的Sn-Ag-Cu钎料。最终得出以下结论，如果想改变SAC系列无铅钎料的物理性能，可以掺杂其他元素。加入微量的稀土元素后，使得钎料的工艺性能与常规的SAC305钎料相近，很明显，这样的话，该方法能够有效改善无铅钎料的工艺性能，这样就能够拓展其使用范围，微电子封装向着无铅化大踏步的迈进。南京航空航天大学的薛松柏等研究了向Sn-3.0

28、Ag-0.5Cu中添加微量稀土Ce对其物理与力学性能等的影响。结果表明，对Sn-Ag-Cu合金的性能参杂稀土Ce的添加达到0.1wt.%后，钎料会产生脆硬的稀土化合物相，会产生不利影响14。中南大学的卢斌等研究稀土Er的较好添加量为0.05wt.%0.25wt.%，对此时Sn3.0Ag0.5Cu钎料合金显微组织以及性能的影响最好。综合以上参考数据分析，在钎料的选择上本课题采用的基础钎料是低银型SAC0307-0.07La四元化钎料，并且通过添加0.03wt.%0.10wt.%的Ce的影响规律来研究Ce含量的变化对SAC0307-0.07La/Cu焊点界面IMC晶粒与长大与焊点性能等。Lucas

29、等测得界面处Cu3Sn和Cu6Sn5化合物层弹性模量分别为136和108 GPa，硬度为6.5和5.9GPa，基体内的Ag3Sn的模量和硬度分别为86.4和3Gpa，并发现Ag3Sn力学性能具有各向异性。他们还测得富Sn区蠕变应力指数n=10.8，共晶组织区域n=17.7，CuSn化合物颗粒处n=37.8。Xu等人也对Cu3Sn和Cu6Sn5的弹性参数进行了测试，结果较Lucas结果偏低，另外他们还对Ni-Cu-Sn三元相进行了测试15。Jang和Chen等人测得Ni3Sn4硬度为7.0GPa，弹性模量为143134GPa。哈尔滨工业大学林鹏荣对含有限晶粒微小无铅焊点的力学行为进行了研究。以得

30、到各体积SAC/Cu微焊点基体中各晶粒之间的力学性能差异为目的，对直径400mSAC/Cu焊点进行纳米压痕测试，得到了压痕载荷-深度曲线，并拟合得到弹性模量-深度曲线和硬度-深度曲线。研究表明：纳米压痕测试无法得到同一焊点不同取向晶粒间的各向异性性质。但对不同体积SAC/Cu微焊点进行纳米压痕测试，各体积微焊点的弹性模量测试结果却有着显著差异，可能是Sn晶体的各向异性对整体微焊点作用的结果，导致各体积微焊点整体平均性能产生显著差异16。Pmyeolr上研究了不同含量的Ce和La的稀土元素对Sn-0.7Cu合金显微组织和力学性能的影响，结果表明，当稀土质量分数达到0.5%时，Sn-0.7Cu合金

31、的显微组织得到细化，并且Cu6Sn5金属间化合物呈细小均匀分布。近期，Xia研究了稀土元素对SnAgBi钎料合金中的金属间化合物的影响。1.4 研究目的及意义近几年来，国内外很多学者开始深入研究无铅钎料在BGA电子封装中的使用，一致认为改良过的的无铅钎料应该有以下特点：工艺性能即焊接性、美观、实用性良好、焊点可靠性很高、优良的力学性能、成本低廉，即性价比高等。近几年来国内外普遍应用的二元系列无铅钎料合金有： Sn-Zn系列，Sn-Cu系列，Sn-Ag系列，Sn-Bi系列等；无铅钎料发展至今，多元化已经成为一种趋势。此外，相对大部分无铅钎料合金相比成本较低的Sn-Cu二元合金及其改性合金Sn-C

32、u-Ni (Ge) 被广泛应用于波峰焊。在目前种类繁多的无铅钎料当中，SAC二元合金系因为其在实际生产中具有无可替代的实用性，因此在工厂以及各公司选择时占据很大的份额。蠕变是指材料在长时间恒温，恒载荷条件下，缓慢发生的塑形变形。电子元器件与基板的连接是通过钎料焊接完成的。蠕变的方式主要有位错蠕变和扩散蠕变。完整的IMC被认为是代表良好焊接一个标志，但这层界面IMC同时也被认为是影响焊点失效关键因素。目前国内外比较认可的是Ag含量大都在3.0%以上SAC系列钎料合金，因为银含量较高，因此其力学性能比有铅钎料Sn-Pb合金差很多。另外，相对于传统的有铅钎料Sn-Pb合金而言，由于其含银量太大而使得

33、其成本太高，由于含银量太高而造成的种种弊端必定会影响高银型SAC系列钎料的应用和推广。因此，近年来国内外大都致力于低银型无铅钎料的研究。但是，低银无铅焊料自身有熔点过高、润湿性差、力学性能不好等特性的限制。因此最重要的是对无铅钎料的改进和优化。所以本课题研究稀土元素Ce对SAC0307-0.07La无铅钎料焊点微结构及性能影响。本课题一方面显示了在研究钎料所形成的焊点力学性能参数在循环载荷下的可靠性和可行性的纳米压痕技术，这是一种新的测试焊点的力学性能好坏的手段。另一方面，通过改变在SAC0307系列无铅钎料中加入微量的稀土元素的含量来研究稀土元素是否能提高焊点的可靠性。为此开发具有低成本，抗

34、蠕变性能好，综合性能优异的无铅钎料奠定理论基础，使得电子行业飞速发展。1.5 实验步骤1. 在我们本次做实验之前，Sn-3.0Ag-0.7Cu宜优先制备，因为其他几种钎料都是以Sn-3.0Ag-0.7Cu为基体往内部添加稀土元素Ce的，以用于研究焊点硬度弹性模量和蠕变性能对微量稀土元素Ce的影响。2.试验采用SAC0307-xCe钎料，其中x分别为0, 0.03%，0.05%, 0.07%, 0.10%。在电炉坩埚中倒入约三分之二的丙三醇，通电加热，加热到280，以用来制备上下误差不超过20m，直径为900m左右的BGA焊球，既焊球直径最大允许范围是880-920m。为避免因随机误差而造成数据

35、的不准确性，所以每组数据都用9个焊球分3个试样进行试验。当融化后的钎料铺展成球并冷却后，用镊子把焊球逐个夹出，置于无水乙醇中洗涤，确定把焊球表面的丙三醇全部洗净，然后用游标卡尺逐一测量获得的焊球，最后将直径大小符合规定的焊球装入袋中。3.将置于超声波机清洗过后的 BGA 焊球置于涂有无铅助焊膏的 PCB 板的铜焊盘上，置于回流焊机内进行回流焊。使用回流焊机焊接完成后，将整个试样焊球朝上再次置于超声波机内进行清洗三到五分钟，最后用混合后的浆糊状牙托粉镶嵌试样。4.分别采用80#,1200#，1600#,2000#,2500#的砂纸进行打磨，将精磨后的试样在抛光机上用最软的金刚石抛光剂对试样进行抛

36、光。抛光过程中大约每隔三十秒就要用金相显微镜仔细观察一次，直到试样表面无划痕为止，光亮，无阴影，这样才符合标准，试样高度约为三个硬币高度。5.抛光完成后，用纳米压痕仪逐个打压痕。第2章 实验原理及方法2.1 焊球以及焊点的制备2.1.1 BGA焊球的制备实验前期，进行五种钎料的制备。制备方法是按照每种钎料中设定的各元素质量分数之比配制出对应的钎料。Sn-3.0Ag-0.7Cu宜优先制备，因为其他几种钎料都是以Sn-3.0Ag-0.7Cu为基体往内部添加稀土元素Ce的。将制备得到的五种钎料分别切出一部分均匀的碎末，要求碎末均匀（且在切的过程中最好使碎末成立体状，而不是薄皮状这样有便于熔球前进行估

37、计、预测焊球成型大小，这样可以大大提高制备焊球的成功率），接着将适量丙三醇倒入熔炼钎料的电炉坩埚（如图2-1a）中，插电，设定融球温度为280°C左右，然后把碎末均匀的撒入坩埚中，使用镊子将碎末浸入丙三醇中，并处于坩埚底部。静置一段时间使其进行熔球过程（在熔球过程中，一定要保证其四周无噪声，无振动，无较大的空气流动以防止在坩埚内的碎末聚集接触在一起形成较大的熔球，避免因为这些不确定因素从而导致浪费材料）。碎末受热逐渐铺展成球，待冷却后用镊子逐个将球夹出。用超声波仪器清洗，最后用游标卡尺逐个进行测量，选取直径为900m的小球（要求精度为上下误差不超过20m，既焊球直径允许范围是880-

38、920m）合格BGA小球如图(2-1b)所示。 a)焊球制作设备 b)制备好的焊球图2-1焊球及制作设备2.1.2 焊点的制作设取直径为0.96mm的Cu片及适当大小的PCB电路板作为基板，首先用粗砂纸稍微磨一下焊板表面，去除Cu表面的氧化膜，最后利用超声波清洗仪进行清洗17。晾干后用小锯子把焊板锯成大小大约为2cm×4cm的PCB焊板备用，每个PCB板上都含有三个焊点。将融好合乎规范的BGA小球放到处理过的Cu片及电路板上，涂上焊膏后放入回流焊机中进行焊接。为避免偶然误差，必须保证试样除了Ce含量和保载时间不同以作为变量以外其余条件的完全一致，以保证每个试样在操作过程中处于相同的试

39、验条件18。2.2 回流焊试验2.2.1 回流工艺简介把制备好的焊板放入超声波清洗仪清洗大约五到十分钟，以把焊盘表面的杂质完全除去。在晾干后的在Cu焊盘上滴入适量的助焊膏（目前常用的助焊剂为松香，作用为去除焊盘表面氧化膜以及增加钎料在焊盘上的润湿性）。然后将用超声波清洗仪器清洗完成的五种钎料的BGA焊球分别放到PCB板的铜焊盘上。最后将带有BGA焊球的PCB板放在铜片上，一起放入回流焊机中进行焊接。回流焊接后的焊接实体如图2-2所示。图2-2 回流焊接后的焊接实体回流焊机的操作过程：开机：打开总电源焊机电源电脑开关启动绿色按钮打开软件输入密码打开串口控制属性参数填写（温度调节）写入数据左边的开

40、始运输、开始加热巡检，预热将PCB板放在回流焊机中进行焊接。关机：倒序电脑X红色按钮半个小时后关闭总电源。注：焊接前进行预热达到可进行焊接的标准为各区域预设温度数值与实际温度值相等。2.2.2 锡膏回流温度曲线的设定典型的回流焊曲线由四个区间组成：前面三个为升温加热区、最后一个是降温冷却区。大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流，回流焊的温度曲线如图2-3所示。 图2-3回流焊升温曲线2.2.3 回流焊机简介本实验采用的回流焊机为小型无铅热风回流焊机R340C，它共有8个温区，电脑分别控制每个温度区间。通过红外线与热风微对流方式加热，通过轴流风机冷却19。温度范围是室温到300，温控准确度为&#

41、177;2。其额定电压380V，频率50Hz，如图2-4。图2-4回流焊机2.3 金相试样的制备2.3.1 实验材料已焊有900微米焊球的PCB板十五块（其中每三块板上焊球的稀土元素Ce的含量相同，一共有五组，共十五个焊件），自凝牙托粉和自凝牙托水（甲基丙烯酸甲脂）足量2500#,2000#,1600#,1200#,80#的金相水砂纸各数张，抛光布2块，金刚石抛光剂（粒度0.5m）1瓶。2.3.2 实验设备（1）本实验用到的试样抛光预磨机是沈阳科晶设备制造有限公司生产的UNIPOL-820型金相抛光预磨机(如图2-5a)。该机器采用粗细不同的金相砂纸，这样可以对不同硬度的金属和合金的试样进行打

42、磨抛光处理。使用本预磨机这一机器不仅远远高出人工磨削制备试样效率，而且还可以在磨削的过程中把试样表面完全磨平，以消除表面的塑性变形，供进一步抛光后进行金相照相和观察20。 a)金相抛光机 b) GX71-6230A金相显微镜图2-5 金相抛光机和GX71-6230A金相显微镜抛光机特征如下：（1) 回转件设计合理，噪音低；（2）速度以数字形式显现出来；（3）预磨机在工作时，喷嘴不断将自来水注入磨盘里，在离心力和外圈橡胶的压力作用下砂纸紧贴在磨盘上；（4）该机配备不锈钢的配件，外壳使用的是玻璃钢，机体不易生锈，使得该产品能够使用更长时间。抛光预磨机技术参数如表2-1所示。表2-1 抛光预磨机主要

43、技术参数磨盘直径磨盘转速输入功率外型尺寸净重203mm（8英寸）50-600r/min165W X 2700×500×300mm43Kg(2) 本实验所用的金相显微镜为 GX71-6230A金相显微镜（如图2-4b）。金相显微镜主要参数如表2-2所示。表2-2 金相显微镜主要参数设备型号制造厂商最大放大倍率最小分辨率最小视场直径最小焦深GX71-6230A（日本）奥林巴斯工业株式会社1500×0.37m0.14mm0.60m2.3.3 试验步骤及注意事项1. 金相试样采用冷镶嵌，具体步骤：取硬纸一张，置于平面桌上，然后将焊好的试样用镊子夹起垂直放入模具中间，并用双

44、面胶把试样竖直粘好，再将硬纸剪成约一掌宽，卷成圆柱形，同样粘在底部的硬纸上。将自凝牙托粉倒入简易容器内，再倒入一定量的自凝牙托水，使其均匀混合，得到糊状的混合试剂，一边搅拌一边把混合试剂倒入用硬纸做成的圆柱形的模具内。待凝固后，撕去外面的硬纸便得到镶嵌好的金相试样。 a)混合均匀的牙托粉 b)镶嵌完成的试样图2-6利用自凝牙托粉制成的金相试样2. 先用最粗的80#砂纸进行粗磨，最终结果的使镶嵌焊接试样的一面露出钎料和基板界面后立即停止磨削，使得试样表面始终保持平整。然后逐次换用1200#,1600#,2000#,2500#的砂纸精磨。用力要轻、要均匀，不要用力过大，以免在打磨试样时有划痕出现或

45、者有形变层形成。3. 由于组织中两相的硬度较为悬殊。所以在磨试样和抛光时容易产生凹凸不平，故在抛光时宜采用较为软的金刚石膏剂进行抛光，应选抛光绒布要用短毛的织物。抛光时不可用力过大，避免抛光剂对试样表面腐蚀过度，抛光时间一般约35分钟 21。抛光剂也不宜过度，应注意水流大小和抛光剂的配合。若抛光剂过多，有可能造成抛光过度，使得金刚石颗粒嵌入试样，造成影响。在抛光的过程中不断使用金相显微镜观察试样表面磨损情况，大约每三十秒左右就要观察一次，直到试样表面光滑，无划痕，无抛光黑点，完全符合规定标准为止。4.试样高度磨为5mm，确保能进行压痕试验。2.4 纳米压痕法测试本试验采用日本岛津公司生产的DU

46、H-211S超显微动态硬度计22，如图2-7所示。本装置获得的硬度是压头在压入过程中的动态硬度，可以对样品的塑性变形部分和弹性变形部分进行分析评价。另外，可以通过高倍显微镜仔细观察压痕的大小，当压痕大到能够从对角线的长度测定时就可以得到努氏硬度和维氏硬度。纳米压痕仪的主要参数如表2-3所示。表2-3 纳米压痕仪的主要参数试验力范围试验力精度位移测量范围位移测量精度压头类型放大倍率0.11961mN显示值的±1%010m0.0001m115º三角锥压头×500在使用过程中一定要注意先用物镜与目镜进行对准，然后再将压头移过来进行压痕。而在用物镜观察对准时先旋转最大刻度

47、的高度调整旋钮，待距离较近后再用细微的高度调节旋钮进行调整，此时需要通过观察与物镜相连的摄像机在屏幕上呈现出来的图像同步进行调整。直至屏幕中可以清晰的看见焊点表面。当压痕过程结束后压头会恢复到初始位置。再移动压头，换成物镜进行观察。图2-7 DUH-211S超显微动态硬度计纳米压痕法主要通过测量加卸载过程中压头作用力与载荷深度得到的加卸载曲线来获得样品的硬度与弹性模量等力学性能参数。进行纳米压痕测试时压头需垂直于样品被压面，等压头接触试样表面后开始加载，直至加载到最大规定值后再缓慢卸载，实时检测压头压入位移随载荷的变化。纳米压痕法测试的结果就是一组加载载荷-位移曲线(即为P-h曲线)，要想得到

48、被压材料的弹性模量、硬度等力学性能参数，需要进行反物理解析计算压痕P-h曲线23。纳米压痕法不像传统测量硬度的直接成像法，而是采用直接分析对 P-h 曲线从而可以得到接触压痕的面积，纳米压痕法获得压痕的接触面积 A 最常用的方法是由 W.C.Oliver 和 GM.Prhar 所创建的 O&P 方法24。2.5 本章小结想要使得实验顺利进行，首先在实验前要制定合理可行的实验方案，在实验过程中要时刻遵守相关规程。本章重点是在实验进行前制定合理的实验方案，选择正确适用的实验材料，在实验过程中规范操作实验设备，及时纠正突发状况，以降低人为因素的影响。经过合理可行的操作制备的焊点试样，对之后的

49、数据与问题分析并得出结论做了重要的准备。第3章 实验结果分析3.1 引言虽然已经成为被公认的最佳的无铅钎料替代物，但在实际应用过程中Sn-Ag-Cu系列钎料存在表面张力大，润湿性差，熔点高等问题，另外，该系列钎料的液相线温度和固相线温度，即共晶点还没有统一，无论怎么努力固-液线始终未曾重合，这就使得在焊接过程中，钎料始终处于半融化状态，而容易造成虚焊。较低的银含量尽管可以降低钎料的成本，却导致钎料润湿性、抗蠕变性等工艺性能下降，而蠕变性能对BGA焊点的力学行为有重要影响，焊点可靠性成为一个必须面对的问题。使得其糊状区间尽可能的小，最终在焊接过程中形成稳固可靠的连接焊点也成为重点。此外，在整体组

50、装过程中还有可能使得PCB基板弯曲，从而使焊点受到拉伸或者是扭曲载荷，因此无铅钎料的综合力学性能也必须满足在实际的应用条件，其力学性能应接近或优于传统的Sn-Pb钎料合金。所以本课题在降低银含量的同时，选择添加微量的稀土元素Ce以改变钎料的综合性能。本章介绍了利用目前常用的纳米压痕技术对添加不同含量的稀土元素Ce的低银SAC0307无铅钎料焊点施加相同加载速率但是保载时间不同，从而更加系统地研究了微量的稀土元素Ce对Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料焊点压痕硬度、拉伸强度、弹性模量、蠕变抗力和显微硬度等各项力学性能的影响以及保载时间对无铅钎料焊点的蠕变大小程度及蠕变快慢速度的影响。3.2 BGA

51、焊点纳米压痕实验及结果3.2.1 纳米压痕实验参数本研究采用循环加载-卸载的方式，每组压痕实验循环为十五次，最大载荷为200mN。保载时间分四组分别为0s，5s，10s，20s；加载速度设置为20 mN/s，卸载速度和加载速度保持一致。纳米压痕实验过程中，为了避免所打压的两个压痕因为相距太近使得应力场相互影响而最终导致测量数据不准确而制成整个实验结果有误，两个相邻压痕之间必须要至少保证3倍压痕大小的距离。3.2.2 不同Ce含量对无铅钎料SAC0307的循环行为影响图3-1所示为循环载荷条件下的五种不同Ce含量的BGA焊点的压痕深度随时间的变化曲线。从图3-1可以看出，在循环加载下，对应于每一

52、次加载-卸载，压痕深度在增长的过程中存在明显的峰值和谷值，焊点的压痕深度呈往复式增长；每一个加载卸载过程中，卸载后深度的回弹量较之于其相对的加载过程产生的压痕深度有明显的减小，即产生了明显的塑性变形；从总的循环加载过程可以看出，五种Ce含量的BGA焊点的压痕深度均随着循环次数的增加出现了明显的增加，且随着时间的增加，压痕深度的增加幅度呈现下降趋势。 a)SAC0307 b)SAC0307-0.03Ce c)SAC0307-0.05Ce d) SAC0307-0.07Ce e) SAC0307-0.1Ce图3-1 五种不同Ce含量的BGA焊点时间-深度曲线五组时间-深度曲线均呈现往复式的增长这一

53、特性符合循环加载的加载特点。在加载过程中，随着载荷的增加，焊点内部的位错在应力的作用下沿滑移面逐步移动。随着时间延长压痕深度不断增加是由于每一次加载都对上一次卸载后材料的回弹有一定的抑制作用，这导致了位错的不断滑移。由于每一次的加载都会在焊点内部产生一定的位错堆积，循环加载导致了位错的不断堆积，并形成割阶，因此产生了多滑移加工硬化，增加了位错移动的难度，阻止深度的持续增加。将五组焊点的时间-深度曲线对比分析，如图3-2所示。由图可以看出，随着钎料中在Ce含量的不断增长，焊点在受相同载荷大小条件下，压痕的深度不断降低，且由于受到循环载荷的影响，焊点深度的变化趋势呈现起伏性规律。但当钎料中Ce含量

54、达到0.1%时，规律发生变化。可以明显的观察到，压痕的深度同比升高很多。在0到0.07范围内时，钎料的压痕深度随着Ce含量的增加而减小，在Ce含量为0.1时，压痕深度骤然增加。图3-2所示为SAC0307-xCe五种钎料的压痕深度随时间变化曲线，由图可以看出，在Ce含量在0%到0.07%范围内时，钎料的压痕深度随着Ce含量的增加而减小，在Ce含量为0.1%时，压痕深度骤然增加。图3-2 五种钎料的压痕深度随时间的变化曲线根据由纳米压痕仪得出的实验数据整理，分别得出五种钎料的硬度值以及在十五次循环下的总蠕变位移h，结果如表3-1所示。表3-1 五种钎料的硬度及总蠕变位移对比钎料硬度(N/mm2)

55、总蠕变位移（m）SAC030764.6841.7776SAC0307-0.03Ce89.2581.5647SAC0307-0.05Ce89.7171.4861SAC0307-0.07Ce92.6251.3808SAC0307-0.1Ce83.7111.5470由此可见，加入 Ce后的钎料SAC0307后，硬度明显增加，总的蠕变位移也出现了较为明显的减小，其变化情况分别如图3-3图3-4所示。图3-3BGA焊点的硬度随Ce含量变化曲线 图3-4 总蠕变位移随Ce含量变化曲线钎料的显微组织对该合金的性能起决定性作用，为了进一步分析Ce的添加对钎料SAC0307的组织影响，本文对所要研究的钎料基体微

56、观组织进行了金相组织观察。图3-5为SAC0307-xCe钎料的金相显微组织照片。 a)Sn-0.3Ag-0.7Cu b)Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.03Ce c)Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.05Ce d)Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.10Ce图3-5 SAC0307-xCe钎料的金相显微组织照片观察上图，其显微组织结构表明，通过添加少量的稀土元素Ce，其细微结构中的焊料成分大致上还是一致的，只是所形成的焊料合金化合物和粒径的组织形式不同。SAC0307钎料的基体是由富Sn相和少量的共晶组织组成，其中大部分的共晶组织为二元共晶组织，主要是颗粒状的Cu6Sn5+-Sn相以及很少一部分尖状像针的Ag3Sn+-Sn相，较为细小均匀，除此之外还有更少量的三元共晶，即-Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn组织。无论是二元共晶还是三元共晶组织中的Ag3Sn相大都呈现出明显的纤维状或者是针状，化合物Ag3Sn处于较为稀散的区域，可以观察到其形状较为粗糙，小块特征较为明显，Cu6Sn5呈圆片状。化合物弥散