（电子科学与技术专业论文）剪切拉力下无铅焊点蠕变损伤的尺寸效应研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：哔日期：业年月翠曰 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：鱼堡钍月半日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着电子器件不断向轻薄小型化方向发展，无铅焊点自身的尺寸 及焊点间距越来越微小，由此引发的焊点可靠性尺寸效应也备受关 注。蠕变损伤是引起无铅焊点失效的一个重要因素，因此研究焊点蠕 变损伤的尺寸效应具有重要意义。本文以单个矩形无铅焊点为研究对 象，采用理论、实验以及仿真相结合的方法对剪切拉力作用下焊点蠕 变损伤的尺寸效应进行了研究。以损伤力学和金属导电理论为基础， 建立基于等效裂纹扩展的焊点损伤模型，推导出电阻应变与蠕变损伤 之间的关系。结合电阻应变的定义及裂纹扩展速率公式进行推导，得 到剪切蠕变条件下焊点电阻应变与其几何尺寸的关系式。鉴于电测试 法能够在线测量且快捷廉价，本文实验部分采用电阻应变作为表征焊 点蠕变损伤的有效参量。利用实验组自主开发的四探针焊点特性测试 仪，对一系列由s n 3 0 a 9 0 5 c u 焊料制作的不同厚度、截面积匹配的 焊点进行电阻应变的测量，从电阻应变的角度反映焊点蠕变损伤的尺 寸效应。对不同尺寸焊点进行相同剪切拉力下的电阻应变测试，采用 o r i g i n 软件对测试结果进行拟合分析，实验结果表明，厚度为 0 2 3 m m 、截面积为1 0 0 m m 2 的矩形焊点在剪切拉力作用下电阻应变 较小，说明该尺寸下焊点蠕变损伤较小，可靠性较高。另一方面，运 用有限元仿真软件a n s y s 模拟承受剪切拉力作用的无铅焊点，对焊 点剪切蠕变过程中的应力、应变分布进行了分析。结果表明：相同剪 切拉力作用下，焊点厚度为0 2 3 m m 、截面积为1 0 0 m m z 时临界损伤 的m i s e s 等效应力、m i s e s 等效蠕变均较小，表明蠕变损伤较小。仿 真与实验结果吻合，故可认为厚度为0 2 3 m m 、横截面积为1 0 0 m m 2 时，焊点的蠕变损伤较小，可靠性较好。 关键词s n 3 0 a 9 0 5 c u 焊点，剪切蠕变，损伤变量，电阻应变，尺寸 效应，有限元仿真 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s 瞰c t a st h ee l e c t r o n i cd e v i c e s d e v e l o pi n s t a n t l y o nt h ef r i v o l o u s m i n i a t u r i z a t i o nd i r e c t i o n ，t h es p a c eb e t w e e nt h el c a d f r e es o l d e rio i n t s o w ns i z ea n ds o l d e rjo i n ti sb e c o m i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r ，t h er e l i a b i l i t y o ft h es i z ee f f e c tc a u s e db yt h es o l d e rjo i n ta l s oc a u s e dm u c hc o n c e m a s t h ec r e e pd a m a g ec a u s e db yf a i l u r eo fl e a d f r e es o l d e rjo i n t si sa n i m p o r t a n tf a c t o r , t h er e s e a r c ho nt h ed a m a g e ds i z e e f f e c ts o l d e rj o i n t s c r e e pi so fg r e a ti m p o r t a n c e t a k i n gas i n g l er e c t a n g u l a rl e a d - f r e es o l d e r jo i n ta st h er e s e a r c ho b je c t ，t h i sp a p e ra p p l i e dt h em e t h o do fc o m b i n i n g t h et h e o r e t i c a ld e d u c t i o n t h ee x p e r i m e n ta n dt h es i m u l m i o nt o g e t h e rt o d or e s e a r c hi nd e t e c t i n gt h ed a m a g ec a u s e db yt h ep u l lf o r c et os h e a r s o l d e rc r e e pu n d e rt h es i z ee f f e c t t oe s t a b l i s ham o d e lo fe q u i v a l e n t c r a c kp r o p a g a t i o no fs o l d e rjo i n td a m a g ew i t ht h ef o u n d a t i o no fd a m a g e m e c h a n i c sa n dc o n d u c t i v em e t a lt h e o r y ，a n dt od e d u c tt h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h er e s i s t a n c es t r a i na n dt h ec r e e pd a m a g e w i t ht h ec o m b i n a t i o n o ft h ed e f m i t i o no ft h er e s i s t a n c es t r a i na n dc r a c kg r o w t hr a t ef o r m u l a ， t h e r ec o m e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h e a rc r e e pr e s i s t a n c es t r a i n s a n ds o l d e rjo i n t su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eg e o m e t r ys i z ee q u a t i o n a s t h eo n l i n em e a s u r e m e n ta n dt e s tm e t h o di sc h e a p ，a tt h ee x p e r i m e n t a l s t a g e ，t h ee x p e r i m e n to ft h er e s i s t a n c es t r a i na sc h a r a c t e r i z a t i o no fs o l d e r j o i n tc r e e pd a m a g ew o u l db et a k e na se f f e c t i v ep a r a m e t e r b yu s i n gt h e i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n to ff o u rp r o b es o l d e rc h a r a c t e r i s t i c st e s t e r ，a s e r i e so fm e a s u r e m e n to fs o l d e rr e s i s t a n c es t r a i nw i l lb ed o n eb y s n 3 0 a 9 0 5 c us o l d e rp r o d u c t i o no fd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n ds e c t i o n a la r e a t h e nt h es o l d e rc r e e pd a m a g es i z ee f f e c t w i l lb er e f l e c t e df r o mt h e r e s i s t a n c es t r a i n p u t t i n gd i f f e r e n ts i z e ss o l d e rjo i n t su n d e rt h es a m e t e n s i o na n dt h e nt e s t i n gt h e mb yo r i g i ns o f t w a r ef i t t i n gt ot h ea n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e c t a n g u l a rs o l d e rjo i n t s ，w h o s e t h i c k n e s si s0 2 3 m m ，s e c t i o n a la r e ai s1 o o m m z ，b e c o m e ss m a l lu n d e r s h e a rp u l lf o r c er e s i s t a n c es t r a i n w h i c he x p l a i n st h a tt h i ss i z es o l d e r c r e e pd a m a g eu n d e rs m a l l ，h i g hr e l i a b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d ，w h e n a n a l y z e db yu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s y s i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o nu n d e rs h e a rp u l lf o r c eo fi n d i v i d u a lr e c t a n g u l a rl e a d f r e e s o l d e r o i n t s ，t h es h e a rc r e e po fs o l d e rj o i n ti nt h ep r o c e s so fs t r e s sa n d s t r a i nd i s t r i b u t i o nr e s u k sa sf o l l o w s ：u n d e rt h es a m ea c t i o no fs h e a rs t r e s s ， t h es o l d e rw i t ht h et h i c k n e s so f0 2 3 m m s e c t i o n a la r e ao f1 0 0 m m 2 w h o s ec r i t i c a ld a m a g e ，m i s e se q u i v a l e n ts t r e s sa n dm i s e se q u i v a l e n t c r e e ps t r a i na r es m a l l w h i c hs h o w st h a tc r e e pd a m a g ei ss m a l l s i n c et h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a t c h i tc a nb ec o n s i d e r e dt h a tw h e n t h et h i c k n e s si s0 2 3 m ma n dt h ec r o s s s e c t i o n a la r e ai s1 0 0 m m z t h e c r e e pd a m a g ei ss m a l l e ra n dr e l i a b i l i t yo f t h es o l d e rj o i n t si sb e t t e r k e yw o r d s s n 3 0 a 9 0 5 c us o l d e rj o i n t ，s h e a rc r e e p ，d a m a g e v a r i a b l e ，r e s i s t a n c es t r a i n ，s i z ee f f e c t ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 无铅焊点的可靠性问题1 1 1 1 焊点的无铅化及微型化1 1 1 2 焊点可靠性的影响因素及研究2 1 2 无铅焊点尺寸效应研究的必要性3 1 3 无铅焊点的损伤机理与测试手段4 1 4 国内外焊点尺寸效应的研究现状5 1 4 1 焊点尺寸对微观组织影响的研究5 1 4 2 焊点尺寸对宏观性能影响的研究6 1 5 本文主要研究内容7 第二章无铅焊点蠕变损伤、电阻应变与尺寸的理论研究9 2 1 经典蠕变曲线与蠕变损伤9 2 1 1 经典蠕变曲线9 2 1 2 蠕变损伤1 0 2 2 基于损伤的焊点等效模型1 1 2 2 1 焊点的微观组织结构1 1 2 2 2 焊点的损伤等效模型1 2 2 3 焊点的电阻应变分析1 3 2 4 电阻应变与损伤变量的理论关系1 5 2 5 电阻应变与尺寸的关系探讨1 7 2 6 本章小结2 2 第三章剪切拉力下焊点损伤尺寸效应的实验研究2 3 3 1 实验方案与装置2 3 3 2 试样制作与实验过程2 4 3 3 数据处理与误差分析2 6 3 3 1 数据处理2 6 3 3 2 误差分析2 7 3 4 测试结果与分析2 8 3 4 1 焊点电阻应变的厚度效应2 8 3 4 2 焊点电阻应变的截面积效应3 3 3 5 实验结果与理论分析对比3 6 3 6 本章小结3 7 第四章焊点剪切蠕变的应力应变有限元模拟。3 9 4 1 焊点的a n s y s 有限元模型3 9 4 1 1 选择单元类型4 0 4 1 2 确定蠕变方程及材料参数4 0 4 1 3 建模与网格划分4 1 4 2 施加边界条件及载荷并求解4 2 i v 中南大学硕士学位论文目录 4 3 蠕变尺寸效应的仿真结果与分析4 3 4 3 1 厚度效应下焊点的应力、应变分析4 5 4 3 2 截面积效应下焊点的应力、应变分析4 9 4 4 仿真与实验结果对比5 1 4 5 本章小结5 2 第五章总结与展望5 3 5 1 总结5 3 5 2 展望5 4 参考文献5 5 翌谢6 1 攻读学位期间主要的研究成果6 2 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无铅焊点的可靠性问题 1 1 1 焊点的无铅化及微型化 传统的锡铅s n p b 焊料由于性能良好、价格低廉，在电子封装领域应用最 为广泛。但众所周知，铅及含铅化合物对人类健康和环境的危害很大。随着欧盟 w e e e ( 电子电气产品的废弃指令) 和r o l l s ( 关于限制在电子电器设备中使 用某些有害成分的指令) 法令【l 】的正式实施，世界各国科研机构对无铅焊料的 开发和性能评估等方面都投入了大量的研究。目前，开发的无铅焊料主要有以下 几种系列：s n - a g - c u 系、s n - c u 系、s n - a s - c u 系、s n a g - c u - b i 系、s n - z n ( 一b i ) 系、s n a g b i i n 系等l 到。在这些候选合金系统中，s n a g c u 系因其优良的物理 性能和高温稳定性，且适用于波峰焊、回流焊、手工焊等多种焊接方式，成为最 具代表性的焊料。不同地区推荐使用的s n a g c u 焊料配比稍有不刚3 1 ，日本 j e i d a 推荐的是s n 9 6 5 a 9 3 0 c u 0 5 ，欧盟i d e a l s 推荐的是s n 9 5 5 a 9 3 8 c u 0 7 ， 美国n e m i 推荐的是s n 9 5 5 a 9 3 9 c u 0 6 。表1 1 、1 - 2 给出了部分无铅料焊与传 统s n 6 3 p b 3 7 的相关物理参数、机械性能对比。另有大量研究表明无铅焊料与含 铅焊料在可靠性方面存在很大差异，因而无铅焊点的研究和应用已成为当前的热 点问题。 表1 - 1 部分无铅焊料与s n 6 3 p b 3 7 的物理参数【4 l 上世纪9 0 年代，b g a 封装焊料球的通用直径为0 4 t u r n - - 0 7 6 2 m m ；几年后， w b g a ( 微b g a ) 焊料球的直径一般为0 2 m m - - 0 4 m m ，相应的焊料球间距为 0 3 m m - - 0 8 m m 5 1 。本世纪初，一直以长宽小且厚度薄的尺寸占持续优势的晶圆 级芯片尺寸封装( w l c s p ) 的焊料球直径减小至0 3 m m 。在过去十年间，间距 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 0 4 r a m 、焊料球直径0 2 5 m m 的c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) 应用最为广泛。倒装 焊封装( f l i p c h i p ) 内焊料球直径仅为7 5 1 x m 6 。从目前封装技术的研究和应用 状况看，主流球栅阵列焊点的直径已小到5 0 岬1 0 0 m ( 甚至更小) 7 - 8 】。 表1 - 2 部分无铅焊料与s n 6 3 p b 3 7 的机械性能h 1 由此可见，焊点所承载的机械连接、导电性能和散热负荷越来越重，而一个 焊点的失效就有可能造成器件整体的失效。因此，电子元器件中互连无铅焊点的 可靠性已成为封装领域研究中的关键问题之一。 1 1 2 焊点可靠性的影响因素及研究 焊点的可靠性研究主要分为两大方面1 9 】：一方面，探索焊接及服役过程中会 影响焊点可靠性的各种因素，从而为焊接工艺、焊点的设计提供依据；另一方面， 寻找焊点在整个服役过程中的损伤变化规律，从而找到焊点的寿命预测模型。 无铅焊点可靠性的影响因素【1o 】是多层次多方面的：首先，从无铅焊料的生 产工艺层面来说，焊料组成成分或比例的不同、制备工艺的不同都会从根本上引 起焊料的浸润性、熔点、耐高温性、热导率、表面张力、抗拉强度、延伸率等物 理性能的变化；其次，焊接工艺参数或方式的调整、p c b 和模板设计、表面组 装材料等都将直接关系到焊点的成型与质量；最后，封装后的元器件和电子设备 在服役过程中不可避免地承受着外界复杂、剧烈的耦合载荷作用，例如应力、电 磁场、湿热环境等，以及多变载荷( 疲劳、振动、跌落或冲击等) 作用，这些会对 无铅焊点造成各种损伤，最终致其传输电信号、机械连接、散热三大基本功能不 同程度地丧失。 为了探讨影响焊点可靠性的内在或外界因素及这些因素对焊点可靠性的影 响规律，许多研究人员展开了大量研究工作： 1 研究无铅焊料合金。e t 前，主要有两个方向受到学者关注【1 1 】：一是无铅 焊料的多组元合金化，即以现有的s n - a g 、s n c u 、s n z n 或者s n b i 等无铅焊料 为基础，在其中添加其它元素以增加组元的方式来改善焊料的性能；另一个方向 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 则是寻找新的复合无铅焊料【1 2 】，主要是以s n 基或者s n a g 、s n - c u 、s n b i 基等 无铅焊料为基础，向其中添加第二相增强颗粒来制备新的复合无铅焊料，期望更 好地改良现有无铅焊料的性能，提高钎焊的可靠性。 2 研发新型基板材料，以协调基板与电子元器件的热膨胀系数( c o e f f i c i e n t o f t h e r m a le x p a n s i o n ，c t e ) ，尽可能地减少热膨胀失衡在焊点处引起的热应力 及应变。 3 研究和改善s m t 焊点本身的可靠性，包括焊点形态、参数及其焊接工艺 的优化设计，s m t 封装设计标准，焊点形成的冶金学过程和显微组织分析，焊 点孔洞、裂纹、电迁移【1 3 d5 】等失效机制的研究等。 4 研究焊点失效的机理及测试技术，包括钎料的本构方程研究，焊点疲劳 寿命预测模型的提出与改进，焊点失效的加速试验如热循环、拉伸、振动、冲击、 跌落等。 1 2 无铅焊点尺寸效应研究的必要性 出于成本及通用性的考虑，从材料的角度来提高焊点的可靠性受到一定局 限。在钎料选择及当前钎焊工艺条件的限定下，优化焊点的形态结构，使焊料的 性能最大程度地发挥是改善焊点可靠性的另一个重要途径【l6 1 。焊点的几何尺寸 是其形态结构的一种表现，而且，在微电子系统应用领域，随着现代电子设备功 能集成化、外观小型化，焊点间距及其本身尺寸越来越小，由此所引发的尺寸效 应问题越来越显著。目前，对无铅微焊点的尺寸效应的研究主要还是依赖经验和 反复试验，完整的微尺度下的理论体系尚未建立。因此，对无铅焊点尺寸效应的 研究极为迫切。 焊点尺寸减小而引起的尺寸效应主要表现在两个方面【l 7 1 9 】：首先是微观组织 方面，即焊料与基板的界面反应和组织老化的尺寸效应。制备微焊点的焊料量一 般较少，其内部有限的合金元素在经历电子封装回流焊等复杂的热条件及冶金反 应后，焊料与基体金属形成良好的冶金结合，生成金属间化合物。随着焊料体积 的减小，焊点和界面i m c 在焊接和服役过程中的化学成分及组织结构与之前大 的块状焊点存在很大区别。其次是宏观力学性能方面，也即焊点力学性能的尺寸 效应。焊点形成过程及服役期间，受各种内外界因素影响会形成孔洞、微裂纹等 微观缺陷，随着焊点尺寸减小，这些微观缺陷在焊点中所占的比例大大增加，对 焊点性能的影响也被扩大化。此外，封装后的焊点受两侧芯片和基板的力学拘束 的热应力等作用，其力学行为与块状焊料相比明显不同，通过块状焊料获得的相 关力学参数已不再适用于微互连焊点。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 无铅焊点的损伤机理与测试手段 在外界环境与载荷条件下，焊点内部微裂纹、微空洞、剪切带、位错等细观 缺陷会发生不可逆的衰坏过程从而引起其性能劣化，这即是焊点的损伤1 2 0 。损 伤力学认为金属的损伤主要有以下几种形式：脆性损伤、剥落损伤、延性损伤、 蠕变损伤、疲劳损伤( 包括低周疲劳和高周疲劳) 、腐蚀损伤、辐射损伤等。 在焊点服役过程中，从实际经受的温度来看，焊点发生了蠕变；从器件的使 用过程来看，由于焊点、基板及芯片引脚之间热膨胀系数不匹配，焊点经受了热 循环疲劳。因此，对于焊点的损伤，有侧重从蠕变失效角度进行分析的，有侧重 从疲劳失效角度进行分析的，也有认为失效是蠕变和疲劳共同作用的结果【2 1 1 。 实质上，热循环过程中疲劳只是表象，由于热膨胀系数不匹配而形成的应力才是 焊点损伤的根本原因【2 “，而且从焊点经历热循环载荷至失效的整个过程来看， 焊点损伤的整体趋势也与金属经典蠕变曲线趋势一致。所以，本文着重研究焊点 的蠕变损伤。 在一定的温度和外力作用下，金属材料随着时间的推移将发生缓慢的塑性变 形，这种现象称为蠕变。对一般的金属而言，只有当温度达到其再结晶温度( 一 般为0 4 - - , 0 5 t m ，其中t m 指熔点，单位为k ) 时，蠕变现象才比较明显地发生。 但铅、锡及它们的合金等金属，在常温条件下也会表现出蠕变现象。随着近几年 对电子产品可靠性要求的提高，对无铅焊点的蠕变损伤的研究也越来越受到重 视。 目前对于焊点损伤的试验研究 2 3 2 8 1 有基于x 射线、激光热透镜、超声波检测、 金相显微镜切片、电子显微镜扫描( s e m ) 、m o i r e 干涉法、纳米压痕法等的微观 组织分析，以及强度( 拉伸、剥离、剪切) 、热循环、湿热条件、跌落实验、随 机震动、模拟冲击等加速损伤试验的宏观力学分析及寿命预测。这些方法虽取得 了一定的研究成果，但它们或仪器昂贵，或未能实时、高效、简捷地对焊点的可 靠性进行测试和分析。 从理论和实际来看，无铅焊点的机械特性与电学特性存在一定关系 2 9 1 。由 经典导电理论可知，焊点的电学参数对其内部组织结构的变化具有敏感性，因此， 电阻测量法用于间接测量金属的损伤逐渐崭露头角并日趋成熟。如杨厚君等【3 0 在理论上分析了利用电阻率变化检测金属材料蠕变损伤的可行性；吴丰顺等【3 l 】 采用四探针电阻测量法研究无铅互连凸点的电迁移失效：蒋礼等 3 2 - 3 3 1 将电阻应变 测量法引入焊点的可靠性实验中，研究了热载荷、剪切拉伸、振动、湿热载荷等 条件下焊点的损伤并取得了一定的成果。相比以往的焊点可靠性测试方法，电阻 测量法具有非破坏性、便捷等优点，它能实现循环加载条件的实时监测，动态观 察到焊点的可逆性与不可逆性损伤。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 另一方面，由于实验设备精密复杂或成本过高、实验周期过长，有些学者转 而从另一途径利用有限元仿真来模拟焊点在各种外界载荷作用下的应力应 变 3 4 。5 1 ，并根据理论寿命预测模型来估算其寿命。 1 4 国内外焊点尺寸效应的研究现状 无铅焊点的持续微型化已是电子封装领域的一大趋势，但关于界观尺度范围 焊点的研究尚未形成一致公认的理论，在诸多细节上仍有争议。目前国内外对微 型化焊点的尺寸效应研究工作可大致分为对微观组织和宏观机械性能的影响两 大方面。 1 4 1 焊点尺寸对微观组织影响的研究 微型化进程中，芯片级封装( c h i p s c a l ep a c k a g i n g ：c s p ) 和倒装芯片( f l i pc h i p ： f c ) 封装技术所得电子封装密度越来越高，焊点本身的尺寸和焊点间的节距不断 缩小。焊点几何参数的改变对其微观组织结构有着直接和显著的影响，这也必将 极大地影响到焊点的性能及可靠性。 j c u g n o n i 等【3 5 1 通过模拟不同尺寸焊点研究其塑性约束的本质及影响，发现 因塑性约束引起的硬化明显取决于焊点裂纹与厚度的比值，二者成反比例。 s h a r i f a 与i s l a mm n 等 3 6 0 7 】研究了两种不同体积( 焊球直径分别为7 6 0 1 t m 和5 0 0 9 m ) 的共晶s n p b 焊球和s n 3 0 a 9 0 5 c u 焊球在同一尺寸c u 焊盘( 直径 为6 0 0 1 a m ) 上的熔融动力学，结果发现：随着焊点直径的减小，界面处生成的 i m c 层平均厚度增大；两种体积的焊点i m c 层中均存在c u 3 s n 和c u 6 s n 5 ，且大 焊点的焊料体内c u 6 s n 5 颗粒也较大。 英国拉夫堡大学的学者【3 】研究了熔化的s n 3 5 a g 、s n 3 8 a 9 0 7 c u 与纯s n 焊 料与c u 板在2 4 0 0 c 下的界面反应，内容涉及0 0 2 5 m m - l m m 不同尺寸的c u 焊 盘、不同的焊点形态，并开发了一个二维的热力学动力学模型以助于理解互扩 散动力学及i m c 的形成，模拟结果与理论预测均表明焊料块大小与几何形态均 会影响焊点的微结构。 w k c h o i 等【3 8 】通过在c u 球表面镀上不同厚度( 4 0 1 x m 、l o l x m 、5 0 m ) 的 s n 层来研究不同的焊料体积对界面反应的影响。研究表明，在回流时间和回流 温度相同条件下，随着代表焊料体积的s n 层厚度减小，界面生成的i m c 层平均 厚度增加；而且，s n 层越薄，i m c 中c u 3 s n 形成地越快。 维也纳大学的ez i m p r i c h 等人【3 9 】以回流焊接方式制备了高度为2 5 t x r n - 8 5 0 l a i n 截面为矩形的焊点试样用来模拟工业焊点，研究了焊点厚度的增加对其拉伸、 剪切、应力松弛行为的影响，并用扫描电镜分析微结构和复杂的断裂模式及焊点 连接处的裂纹扩展。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 马来西亚工业大学的a o u r d j i n i 等【4 0 】研究t - - 种不同焊球尺寸( 3 0 0 、5 0 0 与7 0 0 1 a m ) 与直径为3 8 0 岫的n i - a u 基质的界面反应，发现焊点体积对i m c 的 厚度有重要影响：小体积焊点所形成的i m c 层相比大体积焊点的要厚，且i m c 生长速率快于大体积的焊点。 杨艳等【4 1 1 研究了电迁移对不同高度s n a g c u 微焊点( 直径为3 0 0 u m ，高度 为1 0 0 、2 0 0 和3 0 0 1 a m ) 强度的影响，发现电迁移现象会引起焊点拉伸强度退化， 且焊点高度越大，强度退化程度越明显。 田艳红等【4 2 】对经历重熔和老化处理的不同体积的s n 3 0 a 9 0 5 c u 无铅微焊点 ( 直径2 0 0 6 0 0 i _ t m ) 进行剪切测试发现：焊点的剪切强度随着体积的减小而增大。 对焊点切片进行s e m 观察表明，不同体积焊点中的a 9 3 s n 化合物以不同形式分 布：较小体积中为小颗粒状分散分布，而在较大体积中则为树枝网状分布。他们 认为体积不同导致i m c ( 如a 勘s n 和c u 6 s n d 的形貌和分布不同，是焊点剪切 断裂强度存在体积效应的根本原因。 m s c h a e f e r 等【4 3 】研究了焊料的体积v 与润湿面积a 的比值对微观组织的 影响，发现v a 对界面反应中金属的溶解具有一定控制作用。随着这个比值增 加，c u 到浸透的液态焊料的扩散距离增加，这缓减了界面反应。i s l a m 等的研究 也表明，v a 大的系统在其界面处产生的i m c 层较薄。 1 4 2 焊点尺寸对宏观性能影响的研究 焊点的大小和形状不同，其承载能力就不同，不同的几何结构将使焊点在承 载时内部的应力分布发生变化，其应变程度也相应改变。因此，有学者从焊点的 宏观力学性能及服役寿命角度来进行研究焊点的尺寸效应。 日本的y o s h i h a r uk a r i y a 等人e 4 4 1 n 用微焊球制作的微焊点来研究尺寸对 s n a g c u 焊点低周疲劳特性的影响，发现尺寸对起裂寿命没有显著地影响，但 当焊球尺寸减小到低于1 5 0 m n 时，达到完全断裂所需时间将明显减小。他们认 为这是由于当焊球尺寸减小到1 5 0 u m 时，裂纹扩展阶段并没有出现，完全断裂 与裂纹形成同时发生。 吕铭等人【4 5 】用拉伸试验的方法在焊点高度低于1 0 0 i t m 的条件下分析 c u s n 8 z n 3 b i c u 和c u s n 9 z n c u 焊点的力学特性。结果表明，c u s n 9 z n c u 焊点的极限抗拉强度会随高度的减少而降低，而c u s n 8 z n 一3 b i c u 焊点则相反。 吴懿平【4 6 等对具有不同焊膏厚度的c b g a 组装板进行剪切强度、弯曲、热 冲击和振动等可靠性试验研究，发现焊膏厚度为0 1 5 m m 时机械性能最好。 薛松柏等1 4 7 1 采用有限元法对f c b g a 器件焊点尺寸进行了优化模拟，优化 结果显示，焊点高度对应的应力值曲线具有明显的单调递减特性。 尹立孟等【4 “9 】通过实验和仿真研究了不同直径( 2 0 0 5 7 5 9 m ) 和长度 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 7 5 5 2 5 9 r n ) 匹配下承受准静态拉伸作用焊点的力学行为，发现焊点的强度随 其体积的减小而显著增大，得出结论：拉伸载荷下焊点具有“越小越强”的“体 积”尺寸效应。 王春青等人【5 0 】采用专业的微小焊点力学性能测试仪测量经热时效处理的 s n 3 0 a 9 0 5 c u 无铅微焊点( 直径2 0 0 6 0 0 1 m a ) 的抗剪强度，分析了焊点体积对 抗剪强度的影响，发现随着体积越大s n a g c u 焊点的抗剪强度呈下降趋势，表现 出明显的体积效应。这与尹立孟等得到的结论一致。 赵明君【”j 通过数值模拟分析指出，在热循环条件下焊点高度从0 0 4 m m 增加 到0 0 8 m m 时其等效塑性明显变小，可靠性提高。许杨剑等【5 2 】分析了热循环作用 下焊球模型尺寸对焊球寿命的影响，指出在适当的范围内( 高度：0 1 0 , - , 0 7 0 m m ， 半径：0 1 5 o 2 0 m m ) 增大焊球的高度或减小焊球的半径可提高其寿命。 在以上研究中，有些学者利用高精度动态力学分析仪、光学显微镜等仪器， 从微观角度对不同尺寸焊点的力学性能、断裂成因等进行了研究，但不足之处是 未涉及其电阻特性且试验成本高昂。而且其中一些研究对象的模型及承受载荷方 式与实际焊点及服役情况略有差别，如w k c h o i 等在铜球表面镀锡层来模拟焊 点有些欠妥，或如尹立孟等人将两段铜丝之间填充焊料模拟工业焊点并施以单轴 的拉伸载荷作用，这些与实际焊点的受力情况也有一定的差别。另外，赵明君、 许杨剑等利用有限元仿真模拟不同高度对焊点可靠性的影响，发现厚度越大焊点 所承受的应力越小、等效塑性变小、寿命增长，却缺乏实验验证。而且纵观文献 4 5 】一 5 2 发现他们的结论并不一致甚至相悖，有认为厚度越大越好，有认为厚 度越小越好，也有认为存在一个最佳厚度的。为全面考察相同载荷条件下焊点尺 寸( 高度、截面积) 改变时焊点的性能究竟如何变化，本文拟通过实验、仿真相 结合的方法对承受剪切拉力作用下的矩形搭接焊点的蠕变损伤进行研究。 1 5 本文主要研究内容 目前已有许多学者采用x 射线、在线s e m 、金相切片分析来观测焊点的损伤 程度，或利用高精度动态力学分析仪等精密仪器测定焊点的抗拉强度、断裂强度 等力学参量来研究无铅焊点可靠性的尺寸效应问题，但对实验设备要求较高、周 期较长。相比之下，电阻测试法测量焊点的蠕变有着廉价、高效、非破坏性等优 点。本文将利用电阻应变测量法便捷、在线实时地对剪切拉力作用下不同尺寸焊 点的电阻变化情况进行研究，从另一角度电学特性来间接反映焊点蠕变损伤 的尺寸效应。同时，采用有限元模拟的手段研究剪切蠕变下不同尺寸焊点的应力、 应变分布情况来描述焊点内部的损伤状态。 论文的主要内容和组织结构如下： 第一章，概述性地介绍无铅焊点的微型化进程、焊点可靠性的影响因素与研 中南大学硕士学位论文第一章绪论 究，接着指出尺寸效应研究的必要性并总结其研究现状，然后阐述课题的研究意 义，最后给出论文的组织结构。 第二章，基于焊点的等效裂纹模型，建立裂纹长度与损伤变量、电阻应变的 关系，并对焊点电阻应变与损伤的理论关系进行了阐述。从裂纹的扩展速率与焊 点几何尺寸的关系着手，从理论上探讨电阻应变的尺寸效应。 第三章，确立实验方案，介绍试样制作、测试步骤及数据处理。利用实验组 自主开发的焊点电阻测试仪测量一系列不同尺寸的焊点试样在剪切蠕变条件下 的电阻应变情况，探讨焊点电阻应变的厚度效应、截面积效应。 第四章，利用有限元软件a n s y s 模拟单个矩形搭接焊点在剪切拉力作用下 的蠕变过程，分别讨论厚度和截面积效应下的应力应变的变化趋势，以此反映焊 点蠕变损伤的尺寸效应。 第五章，总结所做的工作，并针对其中的不足提出进一步的工作展望。 中南大学硕士学位论文 第二章无铅焊点蠕变损伤、电阻应变与尺寸的理论研究 第二章无铅焊点蠕变损伤、电阻应变与尺寸的理论研究 在一定温度下，金属受持续应力的作用( 即使在远低于弹性极限的情况下) 而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变。熔点较低的金属容易产生这种现 象；温度越高，这种现象越明显。当金属发生蠕变时，材料由于塑性形变表现出 粘性流动现象，引起内部微孔洞和微裂纹的产生。这些微缺陷的形成、生长、扩 散与汇合以及晶格滑移等都会引起材料性能的劣化，这就是所谓的蠕变损伤。蠕 变损伤检测的方法有很多，如刚度降法、应力减幅法、监测应变率变化法、声学 法、激光衍射法等等【5 3 1 。恒温定载荷作用下，焊点也会发生缓慢的塑性变形即 蠕变，在其内部形成微裂纹、孔洞、位错等微观缺陷而引起焊点宏观性能的劣化， 包括力学性能、电磁性能等。承受各种外界载荷而受损的焊点，利用光学显微镜 或电子显微镜观察其断面切片，可以直观地了解它的蠕变损伤部位和受损程度。 但此类方法必须破坏焊点且具有滞后性，另外，由此得到的信息也只能反馈切片 处的局部状况，并不能代表整体损伤效果。 经典电子理论【5 4 j 认为，在施加外电场之后，金属中的自由电子发生定向移 动，并在此过程中不断与正离子发生碰撞，使电子移动受阻，因而产生电阻。因 此，电阻对金属的组织结构具有敏感性，而金属试件在服役过程中必然会发生内 部组织结构的变化。研究认为，通过电阻测量测金属材料的蠕变损伤具有较好的 精确性和敏感性。服役期焊点的电阻应变对其损伤演化过程很敏感，但引起电阻 变化的因素除了损伤之外，还有温度、电阻率、焊点的表观尺寸等，因此用电阻 应变来表征焊点的蠕变损伤需要作必要的假设和等效。 2 1 经典蠕变曲线与蠕变损伤 2 1 1 经典蠕变曲线 金属的蠕变受温度和应力两个因素的共同影响，这里的温度和应力可以是恒 定的也可以是变化的。常规的蠕变试验大多是研究在恒定载荷及恒定温度下的蠕 变规律，也即静态蠕变试验。 在恒定温度下一个受单向恒定载荷( 拉或压) 作用的试样，其变形s 与时间t 的关系可用如图2 1 所示的典型蠕变曲线表示，曲线可分下列三个阶段【5 5 】： 第1 阶段：减速蠕变阶段( 图中a b 段) ，在加载的瞬间产生了的弹性变形 晶，之后随加载时间的延续变形连续进行，但变形速率不断降低，通常又称为瞬 态蠕变； 9 中南大学硕士学位论文第二章无铅焊点蠕变损伤、电阻应变与尺寸的理论研究 第1 i 阶段：恒定蠕