（材料加工工程专业论文）snagcure无铅钎料的微观力学行为研究.pdf

摘要 摘要 微电子封装中，无铅钎料的力学性能已成为影响互连接头可靠性的关键因 素。近年来，向工业用s r t a g c u 钎料中添加少量稀土( r e ) 元素被证实能够显著 提高材料的力学性能，并具有较高的经济价值。因此，深入理解s n a g c u r e 钎 料的微观变形与断裂行为对于更好地改善封装接头可靠性及进行寿命预测工作 具有重要意义。本文对s n 3 s a 9 0 7 c u 0 0 5 r e 无铅钎料在三种不同加载条件下的 微观行为进行了研究，在综合的力学性能测试和显微组织分析的基础上，考察了 钎料在微米尺度上的动态变形和断裂机制，分析了稀土元素在钎料动态微观行为 中的增强作用。 在单调拉伸应力作用下，s n 3 8 a g o 7 c u 0 0 5 r e 合金所表现出的晶内塑变与 穿晶断裂机制，是其与s n 3 s a 9 0 7 c u 合金相比力学性能提高的主要原因。稀士 元素在合金变形中阻止了共晶相内微裂纹的扩展，抑制了晶粒边界的滑移行为， 改善了各相间的应力分布状况，最终提高了合金强度与塑性。 在循环应力作用下，s n 3 s a 9 0 7 c u 0 0 5 r e 接头通过降低稳态变形阶段的蠕 变疲劳变形速率，使其蠕变疲劳寿命明显提高。稀土元素在接头变形中降低了界 面层组织厚度，改变了裂纹在界面的扩展路径，减少了接头钎料部分的蠕变疲劳 损伤，因而增加了接头的抗蠕变疲劳性能。 对跌落冲击损伤的s n 3 8 a 9 0 7 c u 0 0 5 r e 合金试样进行单调拉伸性能测试后 发现，冲击损伤带引发了严重的局部应力集中，导致损伤带内微缺陷的快速生长 和合金的不完全塑性变形，最终使得合金拉伸强度比正常试样下降了6 0 以上， 合金塑性下降了5 0 以上。稀土元素在单调拉伸变形中未能阻止冲击损伤对合金 拉伸强度和塑性的影响。 关键词无铅钎料；s n a g c m 稀土元素；力学性能；变形机制； a b s 下r a c t a bs t r a c t t h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i cp a c k a g i n gd e p e n d s0 1 1t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 1 c a d f r e es o l d e r si nt h ee l e c t r o n i c si n d u s t r y r e c e n t l y , i th a sb e e nf o u n dt h a ta d d i n ga s m a l la m o u n to fr a r ee a l m t l ( r e ) e l e m e n t sc a nr e m a r k a b l ye n h a n c et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h es n a g c us o l d e r , w h i c hh a sag r e a tc o m m e r c i a lv a l u ea n di sw i d e l y e x p e c t e db yt h ei n d u s t r y i ti si m p o r t a n tf o rt h eu s eo ft h em a t e r i a lt ou n d e r s t a n dt h e d e f o r m a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o ro ft h es o l d e ra n dt op r e d i c tt h er e l i a b i l i t yo ft h e s o l d e rj o i n t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ed e f o r m a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o r o ft h es n 3 8 a 9 0 7 c u 0 0 5 r es o l d e r a l l o y s a n dj o i n t su n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g c o n d i t i o n se x p e r i m e n t a l l y b a s e do nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n ga n dt h e m i c r o s t r u c t u r a la n a l y s i s ，t h ed y n a m i cd e f o r m a t i o na n df r a c t u r em e c h a n i s mo ft h e l e a d f r e es o l d e ri ss t u d i e da n dt h es t r e n g t h e n i n ge f f e c t so ft h er ee l e m e n t si nt h i s s o l d e ra r ee v a l u a t e d u n d e rt h em o n o t o n i ct e n s i l es t r e s s ，t h ed e f o r m a t i o na n df r a c t u r em e c h a n i s mo ft h e s n 3 8 a 9 0 7 c u 0 0 5 r es o l d e ra l l o yi sd o m i n a t e db yt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o ni n s i d et h e g r a i n sa n dt h et r a n s g r a n u l a rf r a c t u r e ，w h i c hl e a d st ot h ei n c r e a s eo ft h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ea l l o yc o m p a r e dw i t l lt h es n 3 8 a 9 0 7 c ua l l o y t h ei n c r e a s ei nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sa t t r i b u t e dt ot h ec o n s t r a i n t so fm i c r o c r a c kg r o w t ha n dg r a i n b o u n d a r ys l i d i n gi nt h ee u t e c t i cp h a s ea sw e l la st h er e l a x a t i o no fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n i nt h e1 3 - s np h a s ed u et ot h ea d d i t i o no ft h er ee l e m e n t s i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h er e e l e m e n t ss t r e n g t h e nt h ee u t e c t i ep h a s ea n di n c r e a s et h ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo ft h i s a l l o y u n d e rt h ec y c l i ct e n s i l es t r e s s ，t h e c r e e p - f a t i g u er u p t u r e l i f e t i m eo ft h e s n 3 8 a 9 0 7 c u 0 0 5 r es o l d e rj o i n ti so b v i o u s l ys u p e r i o rt ot h a to ft h es n 3 8 a 9 0 7 c u s o l d e rj o i n td u et ot h ed e c r e a s eo ft h es t e a d y - s t a t ec r e e p f a t i g u er a t e a d d i n gt h er e e l e m e n t si sf o u n dt or e d u c et h et h i c k n e s si nt h ei n t e r f a c i a ll a y e ro ft h es o l d e rj o i n t , c h a n g et h em i c r o c r a c kp r o p a g a t i o ns i t e , a n dd e c r e a s et h ec r e e p - f a t i g u ed a m a g e s , w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h ei n c r e a s eo ft h ec r e e p - f a t i g u er u p t u r el i f e t i m e t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro ft h es n 3 s a 9 0 7 c u 0 0 5 r ea l l o yw i t ht h ed r o pi m p a c t d a m a g e si sa l s oi n v e s t i g a t e du n d e rt h em o n o t o n i ct e n s i l es t r e s s t h ei m p a c td a m a g e b a n d si nt h ea l l o yl e a dt ot h eh i 曲s t r e s sc o n c e n t r a t i o n , w h i c hc a u s e st h er a p i dg r o w t h o f t h em i c r o v o i d si n t h eb a n da n dt h ei n c o m p l e t ep l a s t i cd e f o r m a t i o no f t h ea l l o y a sa r e s u l t ，c o m p a r e d 谢t l lt h en o r m a ls a m p l e ，t h ed r o po n eg i v e sa6 0 d e c r e a s eo n i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 t e n s i l es t r e n g t ha n da5 0 d e c r e a s eo nd u c t i l i t y t h er ee l e m e n t sh a v en os i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ec o n s t r a i n to ft h er a p i dg r o w t ho ft h em i c r o v o i d si nt h ei m p a c td a m a g e b a n d s k e y w o r d sl e a d f r e es o l d e r ；s n a g c u ；r a r ee a r t h ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：煎壶堑日期：2 堑：垫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 拈孓矿 第l 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 现代高性能、高集成度、微尺寸的集成电路设计对微电子封装与互连技术提 出了更高要求。互连接头是微电子封装技术的关键，在电子元件与基板间发挥机 械连接与电气连接的作用。随着互连尺寸的不断缩小，互连接头所承载的力学、 电学和热学负荷越来越高，接头可靠性逐渐受到人们的关注。据统计，在失效的 微电子产品中，约有6 0 7 0 的问题是由互连接头的失效引发的。这使得互连接 头的可靠性问题成为决定产品质量的根本问题1 1 3 。 长期以来，锡铅( s n p b ) 合金以其较低的熔点、良好的性价比等众多优势而成 为普遍使用的互连接头材料，对锡铅材料可靠性的研究也已经成熟。然而，出于 保护环境和保护人类自身的要求，国际上已逐渐禁止使用这种含铅材料。近年来， 用无铅材料替代含铅材料在微电子工业领域已成为不可逆转的趋势。欧盟的电 气与电子设备废弃物处理指导法令( w e e e ，t h ew a s t ee l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e q u i p m e n t ) 和关于限制在电子电器设备中使用某些有害成份的指令( r o l l s ， r e s t r i c t i o no f h a z a r d o u sm a t e r i a l s ) 已分别于2 0 0 4 年和2 0 0 6 年开始实施。法规中 明确指出，“在欧盟市场上销售的全球任何地方生产的属于规定类别内的电子产 品中不得含铅”。日本的家用电子产品回收法案和日本电子封装协会( j m p ， j a p a n i n s t i t u t eo f e l e c t r o n i c sp a c k a g i n g ) 已要求到2 0 0 5 年底彻底废除电子产品中 铅的使用。美国环保署( e p a ，t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ) 已将铅和铅 的化合物列为最为有害的1 7 种化学物质之一。美国国家制造科学中心( n c m s ， n a t i o n a lc e n t e rf o rm a n u f a c t u r i n g ) 和国家电子制造协会n e m i ( n a t i o n a l e l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r i n gi n i t i a t i v e ) 在无铅化方面展开了大量工作，并向工业界 推荐标准化无铅焊料。我国的相关法规和行业标准也已开始筹备，并逐步进行实 施。这些法规的实施加快了互连接头材料的无铅化进程。 在众多的无铅钎料中，s n a g c u 系钎料已被普遍认为是一种最有潜力的含铅 钎料替代品t 4 - a 。与其他无铅材料相比，s n a g c u 系钎料具有优异的力学性能，较 低的熔点和较好的润湿性能。但在与互连接头基板反应时，这种钎料会在接头中 形成粗大的脆性金属间化合物( n m c ，i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ) ，严重影响其在使 用中的可靠性。而且，这种钎料本身的组织结构也限制了其服役寿命的延长陵 p s j 。最近，经过研究发现，在s n a g c u 钎料中加入少量稀土( r e ，r a r ee a r t h ) 元 素不仅可以解决这些问题，还能明显提高这种钎料的各项性能，使其满足电子封 装中更高的可靠性要求 9 - 1 0 。然而至今，对这种稀土增强合金接头的可靠性评估 北京工业大学工学硕士学位论文 和寿命预测仍然不能完全展开，对稀土元素增强效果的认识也仍然十分有限，从 而限制了这种s n a g c u r e 合金接头的实际应用。这种情况的出现，主要是因为 目前这种钎料合金接头的变形断裂机理和稀土元素的作用机制还不十分清楚， 而且在诸如蠕变、疲劳、冲击等应力状态下对合金接头的力学行为研究也很有 限。为此，s r t a g c u r e 钎料合金接头在各种应力状态下的损伤断裂机制有待于 进一步的研究。 此外，包括s n a g c u 系钎料在内的无铅钎料一般具有较低的熔点，在室温下 就会处于较高的同系温度( t t m o 6 ) 。在这种温度下，一些与时间相关的机制， 如晶界滑移、相转换、空穴化等可能发生，实际服役中更容易因蠕变与疲劳相互 作用而导致失效，并表现出不同于一般塑性材料的特征。大量实验和理论研究已 集中在这种蠕变和疲劳作用的讨论上，越来越多的预测材料寿命的模型和经验公 式也被应用于这方面的研究，包括c o f f i n m a n s o n 、s o l o m o n 等的塑性应变疲劳 模型，s t o l k a r t s 的损伤模型，d o r a 、n o r t o n 的幂律蠕变公式，d a s g u p t a 、a k a y 等的整体应变能模型，k n e c h t 和f o x 等的蠕应变疲劳模型等。尽管每种模型和 公式的使用都有其特定的前提和应用条件，但几乎所有的模型和公式都没能考虑 到变形和显微组织的影响f 1 1 1 。这种情况的产生不仅因为模拟技术尚不成熟，更主 要的是由于接头和构成接头的合金本身的变形断裂机制还不很清楚【1 2 1 。因此， 为了完善可靠性评估模型和寿命预测机制，接头及其钎料合金的损伤断裂机制也 有待于进一步的展开。 随着微电子封装互连的逐步细微化，在微米尺度上动态观察钎料合金和接头 的力学行为极其重要。这能使我们更直观和准确地理解不同加载条件下合金与接 头内部不同相之间的协调过程，分析判断各相、各元素在动态变形中的作用，认 识其变形和断裂损伤机理。因而要深入了解这种无铅钎料的微观力学行为，就必 须对钎料的微观结构和在外载荷作用下的动态演化过程作出准确的剖析。 1 2 国内外的主要研究现状及动态 1 2 1s n a g c u 系合金的研究 从目前的情况看，s n a g c u 系合金钎料已经被普遍认为是最佳的含铅钎料替 代材料，并将成为一个评价其他无铅钎料合金的基准【1 3 】。世界上各不同地区都推 荐了相应的s n a g c u 系无铅成分，其中欧盟推荐s n 3 8 a 9 0 7 c u 合金，日本推荐 s n 3 a 9 0 5 c u 合金，美国推荐s n 3 9 a 9 0 6 c u 合金作为s n p b 的最佳替代材料。国 际上的很多知名公司，例如m o t o r o l a , n o k i a ，n e c ，p a n a s o n i c ，s a m s u n g ，p h i l i p s 等也多推出了以s n a g c u 系合金为互连钎料的电子产品。当前，n o k i a 和 第1 苹绪论 曼曼a mmj _ a 一_ 曼曼 m u l t i c o r e 等电子制造商的研发机构己得出s n a g c u 合金的可靠性要好于s n p b 共 晶钎料的结论；欧洲汽车制造商支持的b r i t ee u r a m 项目也指出s n a g c u 有优于 s n a g 和s n c u 合金的可靠性和钎焊工艺性能，推荐其作为一般工况下应用的无 铅产品【7 】。 与s n 3 7 p b 钎料相比，s n a g c u 系合金钎料具有较好的力学性能，抗拉强度 能达到锡铅焊料1 5 2 0 倍的，抗蠕交性能显著提高，经过改进的s n a g c u 系无 铅焊膏的润湿性几乎能达到锡铅焊膏的水平f 1 4 ”】。与s n 3 。5 a g 等其他无铅钎料 相比，s n a g c u 系钎料的优势也十分明显。s r t a g c u 系钎料具有相对较低的熔化 温度，糊状区间小；该系钎料内由于含有c u 元素，在钎焊熔化过程中，能够阻 止互连接头基板中的c u 元素向钎料内部溶解，减少了基板中c u 元素的损耗， 增加了钎料的润湿性能和可焊接性。另外，该钎料的显微组织因为含有c u 6 s n 5 、 a g a s n 等硬质增强颗粒而在加载应力后更易于抵抗变形行为，使其常规力学性能 和蠕变性能都十分优异f ，s m l 。 国内外也出现了很多关于s n a g c u 系无铅钎料的专利。这些专利按组分大致 可分为两类：一类以s n 为基体，a g 的质量分数大多控制在6 以内，c u 的质量 分数基本上不超过3 ；另一类以s n a g c u 为基本组分，在其基础上添加少量的 一种或多种元素，所添加的第四元素主要包括s b 、z n 、p b 、n i 、b i 、i n 、a u 等， 以改善s n a g c u 钎料的各方面性能。表1 1 列出了s n a g c u 系钎料中相关元素的 一些重要性能指标。在这些专利中，有些专利涉及组分较多，成分范围较宽，但 实用性较差。有些为降低熔点而加入h ，b i 等元素，但i n 储量低价格昂贵，不 适合大规模使用，b i 与p b 是共生元素，对环境污染较敏感，而且b i 的脆性也 是一个不利因素，因此实用性也不强。还有一些专利采用两种钎料混合或包裹的 方式，其中至少有一种含s n a g c u 组分。这种方法在理论上虽然可行，但在工艺 上实现起来仍有较大困难【l ，1 4 1 。 由于共晶合金具有较好的显微组织结构和力学性能，因而许多机构将重点放 在寻找s n a g c u 共晶合金的工作上。目前被认为接近共晶结构的组分有： s n 4 0 a 9 0 ，5 c u , s n 3 ，s a g o 7 c u ，s n 3 9 a 9 0 6 c u ，s n 3 7 a 9 1 7 c u ，s n 3 s a 9 0 9 c u ， s n 3 6 6 a 9 0 9 1 c u ，s n 3 2 4 a 9 0 5 7 c u ，s n 3 0 a 9 0 5 c u 等。通过大量实验研究发现， 其中的s n 3 ，0 a 9 0 5 c u 具有良好的显微组织结构，箕接头界面层均匀且厚度较小， 合金中没有较大的金属间化合物( 蹦c ，i n t e r r n e t a l l i cc o m p o u n d ) u 6 】，但其部分力 学性能不如s r d s a 9 0 7 c u l 6 , 9 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 1 各无铅钎料中相关元素重要性能指标参考值 t a b l e1 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h ee l e m e n t si nl e a d f le es o l d e r s 在诸多s n a g c u 合金中，除了低成本的s n a g c u 合金要求降低a g 含量外，在性 能优越的s n a g c u 合金中，关注最多的还是s n 3 8 a 9 0 7 c u 。目前很多学术机构都 以s n 3 8 a 9 0 7 c u 合金钎料作为研究和比较标准。这是因为这种钎料不但具有比较 优越的润湿性能和可靠性，还由于成分接近三元共晶点而在所有无铅钎料当中具 有相对最高的蠕变抵抗能力【l 。因此，本论文的工作主要以s n 3 8 a 9 0 7 c u 钎料作 为基础合金，以便于性能类比。 1 2 2 稀土元素对无铅钎料性能影响的研究 稀土( r e ，r a r ee a r t h ) 元素被称为改善金属材料性能的“维生素”，主要包括 镧( l a ) 、铈( c e ) 等1 7 种元素。这1 7 种稀土元素具有非常活泼的化学性质，其 中以镧和铈两种元素最为活泼，极易与氧、氢、硫、氮相互作用生成相应的稳定 化合物。因此，添加少量的稀土元素就能明显提高材料的性能。这类元素在改善 铁磁材料、高温超导材料、储氢材料中都发挥了重要作用。由于这种稀土元素在 我国出产较多，因此具有良好的经济使用价值。目前，稀土元素在s n 基无铅钎 料中的应用和研究已经取得了一定进展。一种主要由元素c e 和l a 组成的稀土 混合物被普遍认为对s n 基无铅钎料具有良好的增强效果。 对这种稀土在s n z n ，s n c u ，s n a g ，s n a g c u 钎料合金和接头的显微组织进 行研究发现，合金和接头中粗大p s n 枝晶相和i m c 颗粒被明显细化，共晶组织 垦 ；i 剁 北京工业大学工学硕士学位论文 陈志刚【9 j 曾对s n 3 8 a 9 0 7 c u i 也合金及接头进行了系统的研究。在添加微量 的c e 和l a 混合稀土后，s n 3 8 a 9 0 7 c u 接头的蠕变断裂寿命增加了7 倍以上， 常规力学性能得到显著改善。对显微组织研究发现，稀土元素的i m c 能以网状 形式富集在b s n 相界及接头界面i m c 层附近，并对共晶组织产生细化效果。他 在研究中认为，稀土在晶界处形成网络结构，能过阻碍原子的扩散，抑制晶粒的 长大和运动。由于富稀土相的熔点很高，它们在晶界处的存在能有效地阻止基体 s n 原子的扩散，抑制高温下枝晶的长大和滑移，起到晶界强化作用，从而能提 高这种高温合金的变形抗力。而且，稀土增加了边界处c u 6 s n 5 和a 9 3 s n 第二相 粒子的数量。由于稀土元素在d s n 枝晶相中固溶度较小，大部分将富集在固液 界面前沿的液相边界层中，从而阻碍a g 、c u 原子穿过界面层向两侧迁移，减少 a 卧c u 原子进入p s n 固溶体的几率，使固溶在p s n 中a g 、c u 含量相应减少， 形成的第二相数量明显增多。因为第二相主要分布在枝晶间，所以能起到晶界强 化作用。另外，在稀土含量优化的研究上，经过从0 0 2 5w t 到l 埘的添加 测试，0 0 5 谢到o 2 5 饥的混合稀土含量被认为具有较好的力学增强效果。 图1 3 反映了稀土添加量对蠕变断裂寿命的影响。 4 0 0 2 0 0 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 o 上述的各种研究尽管也试图通过断口分析等方法来解释稀土对变形断裂机 制的增强效果，但由于缺乏对合金和接头变形和断裂全过程的了解，收效甚微。 这方面的工作还有待进一步研究。 1 2 3 单调拉伸行为的研究 目前，单调拉伸性能已成为评价s n 基钎料力学性能的重要指标。在过去的 工作中，对s n 基合金单调拉伸行为的研究已有一定进展。 l e e 和s t o n e t 2 4 ，2 5 1 在单调拉伸实验中对s n 基钎料的晶界滑移行为进行了研 130c、m；=i：_q3i c i d _ i 第1 苹绪论 皇! 曼曼曼曼皇皇曼曼皇曼曼曼蔓皇曼曼曼蔓鲁曼曼皇曼曼曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼i：= = = = = = ： 曼 究。结果表明，滑移距离随着应变速率的降低而升高，这意味着在低应变速率下 存在更充分的晶粒边界滑移行为。另外，他们发现，对于s n 基多晶材料而言， 无论是应力释放测试，蠕变测试，位移控制的单调拉伸测试，还是疲劳测试，在 应力对应变速率的轨迹上都有相类似的结果( 如图1 - 4 ) 。这说明幂指数蠕变行为 对改变测试方式带来的影响并不敏感。 s t r e s s ( m p a ) 图1 4 多晶材料的应力应变轨迹【2 4 】 f 缘i - 4f l o wd a t ao f t h cs t r e s s - s t r a i ni nt h ep o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l 1 2 4 丁颖p 6 在研究s n 3 5 a g 合金单调拉伸与显微演化关系时发现，b s n 相与含 有a 9 3 s ni m c 的共晶相在抗变形能力上存在较大的差异。在较低的单调拉伸速 率下，晶界缺陷在拉伸应力作用下逐渐聚集长大，造成晶粒间裂纹的形核和扩展， 是合金断裂失效的主要机制。 在对s n 基合金变形行为的研究中，单调拉伸行为的研究是基础而必要的。 它对研究合金及接头的蠕变断裂行为和其它应力作用下的变形行为都具有重要 意义。但目前对s n a g c u 系合金的变形机制探讨仍然集中于静态行为的分析，对 于在动态单调应力作用下各相的变形断裂机理，至今还不很清楚。由于稀土对变 形机制的影响无法在静态分析中得到完全的了解，观察s n a g c u r e 合金在动态 应力下的演化过程就变得尤为重要。 1 2 4 蠕变疲劳交互作用的研究 互连接头在服役中的失效是蠕变机制和疲劳机制的共同作用的结果，疲劳促 进了蠕变裂纹的扩展。在目前大部分工况下，接头的失效都与这两种机制的相互 作用有关【2 7 , 2 8 1 。关于蠕变与疲劳相互作用的理论已有很多，如线性损伤累积理论 【2 9 】，应变分区理论1 3 0 1 ，塑性耗竭理论【3 1 】等。线性损伤累积理论认为：蠕变引起 的损伤0 。和疲劳引起的损伤f 是独立的，二种损伤可以相互叠加 。4 - f ) ， 当它达到材料的允许极限损伤t 时，材料便失效。 西l)臼芑1 u l o 北京工业大学工学硕士学位论文 s h a n gp 纠曾对s n 3 s a 9 0 7 c u 合金的蠕变疲劳性能进行了研究。结果表明， 在相同的峰值应力下，循环蠕变的应变小于静态蠕变。这两种蠕变变形的不同与 峰值应力水平、应力比和循环载荷的频率有关。较低的应力比会导致较低的循环 蠕变速率：较高的峰值应力会增大循环蠕变速率对应力比的依赖关系；而较高的 频率也会导致较低的循环蠕变速率。循环应力给单纯的静态蠕变变形平添了额外 的循环损伤，从这一角度讲有利于加速材料的蠕变过程。 另外，s n 基合金在循环应力作用下的软化行为也被研究【3 2 3 4 1 。在恒定的应 变幅下，s n 3 8 a 9 0 7 c u 合金与s n 3 5 a g 以及s n 0 7 c u 一样发生了软化行为。在 蠕变疲劳交互作用下，这种s n 基合金的软化速率被认为与应变幅、温度和显微 组织有关。应变幅的增加可以导致很高的软化速率，降低材料的蠕变疲劳寿命。 在较小的应变幅下，软化行为会经历一个缓慢的初始阶段，这有利于一个缓慢的 损伤积累过程和一个快速的裂纹生长过程出现在合金中，从而延长寿命。相反在 较高的应变幅下，软化行为会非常快地进行，这使得以上两个过程难以发生，从 而缩短了寿命。结果，应变幅的提高降低了材料的蠕变疲劳寿命。此外，温度 的升高也会对蠕变和疲劳机制有明显的影响，因而会强化材料的软化趋势。 在寿命预测理论研究上，c o f f i n m a n s o n 及其修正方程，在蠕变疲劳相互作 用下被认为可能给出错误的结果。因为钎料的疲劳寿命也是应力的函数，以应变 为基础的疲劳描述就显得不太充分【3 2 3 5 1 。实验寿命数据被发现与低应变范围下 c o f f i n m a n s o n 预测结果有很大差异【3 6 】，尤其是高温疲劳下，钎料的应力应变关 系不唯一时，应力不仅是应变的函数，也是应变率的函数【3 7 1 。因此需要提出相应 的理论手段、实验数据和微观蠕变疲劳机制以建立新的方程和预测手段来替代 c o 伍1 1 m a n s o n 及其修正方程式。 在蠕变疲劳裂纹扩展的研究中，s n 基合金被认为在较高的同系温度下需要 将依赖于时间关系的蠕变变形过程考虑在循环变形1 为 3 8 - 4 0 1 。据发现，应力比越高， 频率越低，依赖于时间的变形过程就越会占据主导地位；反之，则越少。图1 5 显示了应力比与频率的关系 4 0 l 。在图中，s n 基合金的裂纹增长过程可以被分成 循环周期主导型和时间主导型。在循环周期主导的区域里，裂纹扩展可以被依赖 于时间的断裂力学参量a k 或j 描述，a k 通常被用作疲劳裂纹扩展的驱动力， j 则就大范围屈服而言提供了与疲劳裂纹扩展很好的联系。裂纹扩展率d a d n 与有效应力强度因子幅l ( c 疗的关系可以由公式( 2 1 ) 计算获得： d a d n = 6 8 3 1 0 2 ( t x k c a e ) 4 0 5( 2 1 ) 其中，e 为钎料合金的杨氏模量。 另一方面，依赖于时间的参量断裂力学参量c 被用于时间主导的区域，c 。 与蠕变变形有很大的联系。裂纹扩展率d a j d t 与c 的函数关系式( 2 2 ) 表示： d a d t = 8 3 4 1 0 8c 1 0 8 ( 2 2 ) 镕l 镕* 这种关系与单纯的静态蠕变裂纹扩展具有一致性。两区域的边界随温度与合金强 度而改变。另外，裂纹与显微组织的关系也得到研究。裂纹扩展会沿着枝晶相的 相界或向内部不断发展。当共晶相较强时，裂纹也可能发展成为穿晶裂纹。在平 衡态的s n 基台金中，微裂纹集中于晶界处而非相界，可能经历一个穿晶和沿晶 的混台断裂过程。如果受到依赖于时间的机制主导，则裂纹更可能偏向沿晶；反 之，裂纹更偏向穿晶吲。 f r e q u e m y 图1 - 5s n 基合金疲劳裂纹扩展的相关关系图i 叫 f i g 1 - 5s c h e m a t i c so f f a t i g u ec r a c kg r o w t hp r o c e s s e smt h es n b a s e ds o l d e r s1 4 0 在添加增强元素的研究上，z h a n g 4 1 1 发现b i 的添加使s n a g c u 接头的蠕变疲 劳性能超过了s n 4 0 p b 接头的性能。a n d e r s s o n t 4 2 1 发现含c u 元素的无铅钎料接头 在抵抗循环应力方面具有较好的效果。他还发现，不同的循环应变水平对钎料接 头的裂纹扩展有不同的影响。较低应变水平会导致裂纹沿c u e s n s 界面层扩展， 而较高应变水平则导致裂纹在接头的钎料内部扩展，如图i - 6 所示。 a ) 在低应变时b ) 在高应变时 曲l o ws t r a l n b ) h i g hs n a i n 图1 6s n 基钎料接头的蠕变疲劳断裂h 2 】 f 培l - 6 c r o s s - s e c t i o n o f s n - b a a e ds o l d e r j o i n t 目前，对蠕变疲劳交互作用的大量工作已经比较细致，对无铅钎料合金损伤 和断裂机理的研究也己取得很大进展。然而，在接头损伤和断裂机制方面的研究 仍然不足，对稀土在这方面增强效果的研究仍然很少，这方面还有待进步完善。 十】目oll； 北自i 太学i 学砸士 也论文 i2 5 跌落冲击损伤的研究 随着应用领域接头尺寸的不断减小，便携设备跌落概率的不断增加，因跌落 冲击造成封装互连接头损伤，进而引发失效的可能性运灏增大损伤也越发严重。 实际应用中的封装电路板在遭受跌落冲击时，跌落冲击损伤和失效常存在于互连 接头的钎焊材料处。接头的断裂由界面i m c 层和钎料中的冲击损伤共同造成。 这种损伤是冲击过程中p c b 板弯曲变形和冲击惯性相互作用的结果。即使一次 冲击不能引发完全的接头失效，也会在钎料中导致冲击疲劳损伤，并在接头继续 服役的过程中诱友失效h 川”。 w o n g i 叫对实际p c b 板级跌落的失效机制进行研究后认为，冲击失效主要由 三个要素引发，即( a ) 接头弯曲和伸长( b ) 惯性冲击力( c ) 冲击应力波。在高 度1 米的跌落冲击实验中，冲击瞬间的加速度能达至b 重力加速度的1 0 0 0 倍以上， 强大的冲击力和冲击应力波作用于p c b 板上，造成了接头和钎料的变形，从而 可能引发失效。 l a i 4 6 1 在p c b 板级跌落实验中对损伤和失效位置进行了研究。结果表明，接 头在p c b 板上的不同位置会导致接头钎料不同的断裂位置，如图1 7 ，这些断裂 位置可能造成不同的失效结果。 鬯舅! 亨丧熙 l ) 裂，。 釜= 兰蠼主遗= 垒拦 l “ 幽1 7 电子封装中互连接头的失效模式m 1 f i g 1 - 1f a i l u r e m o d e s o f t h es o l d e r j o i n b i n t h ee l e c t r o n i c p a e k a g l n g ” 对板级跌落冲击的有限元模拟也获得了很大进展【4 7 ，“l 。然而，由于对无铅钎 料的冲击性能和冲击应力下显微组织的演化机制缺乏深入的研究，在接头和钎料 微观组织级别的冲击失效模拟和失效预测机制还难以建立和运行。为此，研究无 铅钎料合金在冲击后的显微组织演化过程就显得十分必要。另外，在其他领域合 金的冲击研究中，损伤在冲击后的演化失效机制向来是研究领域关注的焦点，因 为损伤在应力作用下的不断演化才是导致失效的直接原因f 4 9 ，”】。因此，本文将从 钎料合金的冲击损伤演化开始入手，对具有较强力学性能的s n a g c u r e 台金进 行研究。 第1 章绪论 1 3 本课题的来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 随着微电子封装中无铅连接技术的日趋成熟和环保高性能连接材料的不断 问世，越来越多的环保新型材料将被应用于电子工业的生产中。然而，这些材料 的变形和失效机制目前仍然不很清楚，这导致了材料寿命预测和可靠性分析工作 迟迟无法展开，也使得材料的推广和应用难以进行。基于这一考虑，本课题将对 具有环保高性能特征的s n a g c u r e 无铅连接材料进行微观变形和失效机制分析， 以为其进一步的研究和应用工作提供支撑。 本课题的研究得到了国家科技部8 6 3 重点项目( n o 2 0 0 2 a a 3 2 2 0 4 0 ) ， “十 一五”国家科技支撑重点项目( n o 2 0 0 6 b a e 0 3 8 0 2 ) 和北京市教育委员会资助项 目( 2 0 0 2 k j 0 2 0 ) 的支持。 1 3 2 主要研究内容 尽管目前在s n 基无铅钎料的力学性能和失效机制等方面已经进行了大量工 作，对稀土在无铅钎料中增强效果的研究也已取得了不少成果，但是对稀土增强 的无铅钎料微观失效机制的研究仍然不足，有待进一步展开。 稀土元素的添加，明显增强了无铅钎料在蠕变应力和常规应力作用下的变形 抵抗能力，同时又没有影响无铅钎料本身的其他优异性能，这在很大程度上满足 了微电子工业对钎料力学性能不断增加的需要。然而，对于这种稀土增强的无铅 钎料，由于缺乏在微观力学行为和失效机制方面的研究，其可靠性评估模型和寿 命预测工作难以展开，限制了其在工业中的大规模应用。 正是在这种背景下，本文以s n 3 8 a 9 0 7 c u o 0 5 i 也无铅钎料作为研究对象， 以s n 3 g a 9 0 。7 c u 钎料作为参照研究对象，通过比较分析，深入研究了稀土增强 钎料在不同应力条件下的微观力学行为和断裂机制。主要研究内容可归纳为以下 几个方面： 1 对s n a g c u r e 合金及接头在单调拉伸应力作用下的微观行为和失效机理 进行分析。通过原位拉伸观察实验，分析了合金及接头在微米尺度下各相的演化 行为，考察了微观行为对其力学性能的影响。通过与不含稀土钎料的对比，研究 了稀土元素对合金和接头变形和断裂机制的影响。 2 对s n a g c u r e 接头在循环应力作用下的微观行为和断裂机制进行研究。 在恒应力幅的循环载荷下，对接头的蠕变疲劳断裂寿命进行了测试。通过原位 观察分析了接头内部组织的微观行为。通过与不含稀土的接头在同等条件下的比 北京工业大学工学硕士学位论文 较，认识了稀土元素在变形和断裂过程中所起的作用。 3 对跌落冲击损伤的s n a g c u r e 合金在单调应力作用下的微观行为和失效 机制进行研究。通过原位观察，研究了损伤在应力条件下的微观演化行为，深入 分析了冲击损伤对合金变形失效机制所造成的影响。 第2 章材料制各与实验方法 第2 章材料制备与实验方法 2 1 材料的制备 研究中主要采用s n 3 8 a 9 0 7 c u 0 0 5 r e 和s n 3 s a 9 0 7 c u 成分的无铅钎料作为 研究对象。其制备选用的原材料为纯度9 9 9 5 的s n 、a g 和c u 。所添加的混合 稀土为l a 和c e 混合稀土，其中c e 占4 0 5 0 ，l a 占2 0 3 0 ，n d 占1 5 ， p r 占8 ，余量为其它稀土，稀土元素占稀土总质量的9 8 以上。熔炼时为防止 氧化，采用熔盐( k c l + l i c l ) 保护，钎料合金与k c i 和l i c l 的质量比例为5 ：1 3 ：1 。 s n 3 8 a 9 0 7 c u 合金的熔炼方法为：首先，在4 5 0o c 使熔盐充分熔化，并将液态 熔盐浇在坩埚中s n 粒的表面，再将坩埚放入炉中加热，温度控制在5 0 0o c 5 5 0