（电子科学与技术专业论文）湿热载荷下无铅焊点电阻应变研究.pdf

原创性声明 i i i l l li i l l i 舢删 y 17 19 8 芝 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： ! 差) 型盔易日期：盈年互月型日 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。 作者签名：】茎l 趄垒易导师签名 中南大学硕士论文 摘要 摘要 随着无铅焊料应用的普及，无铅焊点的可靠性问题备受关注。因此各 种无铅焊点可靠性实验也相应提出来。电子元器件在实际使用环境中同时 受到湿热的影响。湿热在焊点失效原因中占了很大比例，因此有必要在湿 热同时加载的情况下，研究焊点的可靠性。 本文首先简述了无铅焊点可靠性的研究现状，分析了研究无铅焊点可 靠性的重要性，概述了湿热载荷下无铅焊点可靠性研究的现状及研究意义， 分析了无铅焊点可靠性电测方法的可行性以及电测方法的研究现状。研究 探讨了无铅焊点( s n a g c u ) 在单独湿、热载荷下以及共同作用下无铅焊点 的失效机制。根据湿热载荷下裸露无铅焊点的失效机制，建立起一个简单 焊点断裂模型，再推导了无铅焊点损伤与电阻应变的关系，为湿热载荷下 无铅焊点电阻应变特性研究提供理论基础。在微电阻测试系统的基础上， 设计了湿热载荷下焊点测试系统；提出用五探针差分法代替四探针微电阻 测试法，并通过实验证明了五探针差分法的优点。制作长宽各l m m 、厚度 不等的s n a g c u 焊点试样，采用五探针差分法分别进行了高低温循环、高 温循环、高温保温低湿度实验( 相对湿度近似为零) ，以及低温湿度循环、 中温湿度实验。采用o r i g i n 软件对焊点试样测试结果进行数学处理，结果 表明：l 、焊点电阻应变随着循环温度范围的增大，变化范围也增大；2 、 在升温与降温过程中，电阻应变曲线出现迟滞回线现象，并且升降温的范 围越大，迟滞回线面积越大；3 、随着温度循环次数的增加，焊点电阻及电 阻应变峰值都有上升的趋势，与蠕变理论相符合；4 、在短时间内，焊点电 阻应变不随湿度的变化而变化，原因是焊点还没有因腐蚀而产生蚀坑或者 裂纹，湿度对焊点的影响还不是很明显。根据湿热载荷下焊点损伤与电阻 应变的关系式，进一步推导了电阻应变与腐蚀速率和内部裂纹生长速率以 及服役时间的关系，并绘制了湿热载荷下保温时的电阻应变随时间变化的 曲线；比较在湿热载荷与湿度载荷、纯温度载荷三种情况下的保温电阻应 变随时间变化的曲线，发现湿热载荷下的电阻应变提前进入损伤加速阶段， 缩短了焊点寿命，与湿热载荷下焊点失效机制是相符合的。 关键词： s n a g c u 焊点，电阻应变，五探针差分法，金属腐蚀 中南大学硕士论文 a bs t r a c t t h er e l i a b i l i t yo fl c a d f r e es o l d e ri o i n t sc o n t i n u e st or e m a i nam a j o rc o n c e r n a st h ep o p u l a r i t yo fl e a d f r e es o l d e r s o ，a l lk i n d so fr e l i a b i l i t ye x p e r i m e n t so f l e a d f r e es o l d e rj o i n t sa r er a i s e da c c o r d i n g l y e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa r e i n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya tt h es a m et i m ei nt h ea c t u a l e n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n s t i t u t eah i g hp r o p o r t i o ni nt h e f a i l u r ec a u s eo fs o l d e ri o i n t s ，s or e l i a b i l i t ya b o u ts o l d e rj o i n t sc o n s i d e r a t i o n w h i c hi si nt h ee n v i r o n m e n to ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi sn e c e s s a r y f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e ss i t u a t i o no fl e a d f r e es o l d e rj o i n t sr e l i a b i l i t y s t u d y ，a n a l y z e st h ei m p o r t a n c eo fl e a d f r e es o l d e rj o i n t sr e l i a b i l i t ys t u d y , o v e r v i e w sm e a n i n g sa n ds i t u a t i o no fs t u d ya b o u tl e a d f r e es o l d e ri o i n t s r e l i a b i l i t yu n d e r 也el o a do ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , a n a l y z e sf e a s i b i l i t yo fa e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o da b o u tl e a d f r e ei o i n t sr e l i a b i l i t ya n ds i t u a t i o no f s t u d yo ne l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t f a i l u r em e c h a n i s mo fl e a d f r e es o l d e rio i n t s ( s n a g c u ) h a sb e e nr e s e a r c h e di nt h ec i r c u m s t a n c eo ft e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yl o a da l o n e ，a n dc o m b i n e da c t i o n a c c o r d i n gt of a i l u r em e c h a n i s mo f t h ee x p o s e dl c a d f r e es o l d e ri o i n t su n d e rt h ec o m b i n e da c t i o no ft e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y , s i m p l em o d e lo fi n v a l i d a t i o ns o l d e rjo i n t sw a sb u i l ta n dr e l a t i o n e x p r e s s i o nb e t w e e nd a m a g eo fs o l d e rj o i n t sa n dr e s i s t a n c es t r a i nw a sd e d u c e d i t p r o v i d e sf u n d a m e n t a lb a s i sf o rc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho fs n a g c us o l d e rjo i n t s r e s i s t a n c es t r a i nu n d e rt h el o a do ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y o nt h ef o u n d a t i o n o ff o r m e rt e s t s y s t e mo fm i c r o r e s i s t a n c e ，t e s ts y s t e mo fs o l d e rj o i n t s w a s d e s i g n e dt om e a s u r er e s i s t a n c ei nt h ee n v i r o n m e n to ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y f o u r - p r o b em e t h o di nm i c r o r e s i s t a n c em e a s u r e m e n th a sb e e nr e p l a c e db y f i v e p r o b ed i f f e r e n c em e t h o dw h i c hi sp r e c i s et h r o u g he x p e r i m e n t a lp r o o f i nt h e p a p e r i nt h i sa r t i c l e ，w i t hs n a g c u s o l d e rjo i n t ss p e c i m e n s ( t h ew i d t ha n dl e n g t h i slm m ，d i f f e r e n tt h i c k n e s s ) ，f i v ek i n d so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e np e r f o r m e db y f i v e p r o b ed i f f e r e n c em e t h o d ，i n c l u d i n gh i g h l o wt h e r m a ls h o c kc y c l et e s tw i t h l o wh u m i d i t y , h i g ht e m p e r a t u r ec y c l ew i t hl o wh u m i d i t y , h i g ht e m p e r a t u r e c o n s t a n t ，h u m i d i t yc y c l eu n d e rl o wt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc y c l eu n d e r m e d i u mt e m p e r a t u r ec o n s t a n t al o to fs o l d e rs p e c i m e n s t e s t i n gr e s u l t sh a v e b e e np r o c e s s e db yo r i g i ns o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：1 c h a n g e si ns o l d e r j o i n t s r e s i s t a n c es t r a i nb e c o m eg r e a t e rw i t he n l a r g e m e n to fc y c l et e m p e r a t u r e 中南大学硕士论文 r a n g e ；2 i nt h ep r o c e s so fe l e v a t i o na n dd e c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，ap h e n o m e n o n o fh y s t e r e s i sl o o pa p p e a r si nt h ec u r v eo fr e s i s t a n c es t r a i na n da r e ao fh y s t e r e s i s l o o pb e c o m eg r e a t e rw i t he n l a r g e m e n to fc y c l et e m p e r a t u r er a n g e ；3 s u m m i to f s o l d e rio i n t s r e s i s t a n c ea n dr e s i s t a n c es t r a i nh a sar i s i n gt r e n da st h en u m b e ro f c y c l ei n d e xi si n c r e m e n t a l ，w h i c ha c c o r d sw i t hc r e e pt h e o r y ；4 i nt h es h o r tt e r m ， s o l d e ri o i n t s r e s i s t a n c ea n dr e s i s t a n c es t r a i nd o n tc h a n g ei nr e l a t i o nt oh u m i d i t y c h a n g e ，t h er e a s o ni st h a te t c hp i t sa n df l a w si nt h es o l d e rj o i n t sa r e n tf o r m e d b yc o r r o s i o na n di n f l u e n c eo fh u m i d i t yi s n tv e r yo b v i o u s ad e e pr e l a t i o n s h i p a m o n gr e s i s t a n c es t r a i n 。c o r r o s i o nr a t e ，g r o w t hr a t eo fi n t e m a lc r a c ka n dt i m e w a sd e d u c e da c c o r d i n gt or e l a t i o ne x p r e s s i o nb e t w e e ns o l d e rj o i n t s d a m a g ea n d r e s i s t o rs t r a i n ，t h e nc u r v eo fc o n s t a n tt e m p e r a t u r er e s i s t a n c es t r a i no v e rt i m ew a s d r e wi nt h ec o n d i t i o no ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y c o m p a r e dc o n s t a n t t e m p e r a t u r er e s i s t a n c es t r a i nc u r v eo v e rt i m eu n d e rt h el o a do ft h e r m a la n d h u m i d i t yt oc o n s t a n tt e m p e r a t u r er e s i s t a n c es t r a i nc u r v eo v e rt i m eu n d e rt h e l o a do ft e m p e r a t u r ea l o n ea n dr e s i s t a n c es t r a i nc u r v eo v e rt i m eu n d e rt h el o a do f h u m i d i t ya l o n e ，t h ef i r s tc i r c u m s t a n c eg e t si n t oa c c e l e r a t e ds t a g eo fd a m a g ei n a d v a n c e ，w h i c hr e d u c es o l d e rj o i n tl i f ea n da c c o r d i n gt of a i l u r em e c h a n i s mo f l c a d f r e es o l d e rj o i n t s a t1 a s t ，f u r t h e rr e s e a r c ha n da s s u m p t i o na r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt od r a w b a c ki nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：s n a g c us o l d e rj o i n t s ，r e s i s t a n c es t r a i n ，f i v e - p r o b e d i f f e r e n c e m e t h o d ，m e t a l l i cc o r r o s i o n i i i 中南大学硕士论文 目录 目录 j 目要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 无铅焊点可靠性研究现状1 1 1 1 无铅焊点可靠性l 1 1 2 无铅焊点可靠性实验。：1 1 1 3 无铅焊点的失效2 1 2 湿热载荷对无铅焊点可靠性的影响及研究现状2 1 2 1 湿热载荷对无铅焊点可靠性的影响2 1 2 2 湿热载荷下无铅焊点研究现状3 1 3 无铅焊点可靠性的电测方法及现状4 1 3 1 无铅焊点的电测方法4 1 3 2 无铅焊点电测方法的现状5 1 4 主要研究内容6 第二章湿热载荷下无铅焊点失效机制与电阻应变7 2 1 热载荷下无铅焊点的失效机制7 2 1 1 焊点热应力分析7 2 1 2i m c 对焊点的影响8 2 1 3k i r k e n d a l l 孔洞lo 2 2 湿度载荷下无铅焊点的失效机制1 0 2 2 1 金属腐蚀1o 2 2 2 金属局部腐蚀1 l 2 2 3 无铅焊点( s n a g c u ) 腐蚀类型和腐蚀速度1 3 2 3 湿热载荷下无铅焊点的失效机制1 4 2 3 1 高温高湿对无铅焊点的影响1 4 2 3 2 腐蚀疲劳机理1 5 2 3 3 湿热载荷下无铅焊点失效过程分析1 5 2 4 湿热载荷下无铅焊点的电阻应变1 7 2 4 1 电阻应变定义17 2 4 2 湿热载荷下焊点电阻应变公式推导1 7 第三章测试系统2 2 3 1 测试系统结构2 2 3 1 1 系统硬件2 2 3 1 2 上位机功能2 3 3 2 湿热采集、控制模块2 4 3 2 1 硬件框架2 4 3 2 2 湿热采集电路2 5 3 2 3 软件流程2 6 3 2 4 测量数据处理2 8 3 2 5 湿热控制电路2 9 3 3i s p 模块2 9 3 3 1 硬件电路3 0 中南大学硕士论文 目录 3 3 2 配套软件3 0 3 4 测试方法31 3 4 1 四探针法测量焊点电阻的不足3 1 3 4 2 五探针差分微电阻测试法3 2 3 4 3 五探针差分法硬件电路3 3 3 4 4 五探针差分法的效果3 4 第四章湿热载荷下实验3 7 4 1 样品制作。3 7 4 1 1 样品材料3 7 4 1 2 制作过程3 8 4 2 热载荷下实验3 9 4 2 1 高低温循环低湿度实验3 9 4 2 2 高温保温低湿度实验4 0 4 2 3 高温循环低湿度实验4 1 4 3 湿热载荷下实验4 1 4 3 1 常温湿度循环实验4 1 4 3 2 中等温度加湿度实验4 2 第五章数据分析与讨论4 3 5 1 数据处理软件与处理过程4 3 5 1 1 数据处理软件4 3 5 1 2 数据处理过程4 3 5 2 误差分析4 4 5 2 1 系统误差4 4 5 2 2 随机误差4 5 5 3 测试数据处理4 6 5 3 1 热载荷下实验数据处理4 6 5 3 2 湿热载荷下实验数据处理4 9 5 4 结果分析5 1 5 4 1 五探针差分法与四探针法5 1 5 4 2 湿热载荷实验结果分析5 3 5 5 讨论5 5 5 5 1 湿热载荷下电阻应变曲线5 5 5 5 2 湿热载荷下焊点裂纹生长速率、电阻应变及寿命的关系5 8 第六章总结与展望5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望6 0 参考文献6 1 至殳谢6 6 攻读硕士学位期间的主要研究成果6 7 2 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 无铅焊点可靠性研究现状 第一章绪论 1 1 1 无铅焊点可靠性 铅及铅化合物属剧毒物质，长期使用含铅焊料会给人类健康和生活环境带来严重危 害【l ，2 】。于是世界各国都已经开始制定电子产品的无铅计划和立法。如美国n e m i ( n a t i o n a le 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 ) 协会和日本国际贸易与工业部( t h em i n i s t r y o f i n t e r n a t i o n a lt r a d ea n di n d u s t r y , m i t i ) 等先进国家已积极推行无铅( l e a d f r e e ) 制程【3 1 。 近几年，有关无铅焊料的研究工作进展很快。国内外现有的研究结果表明，最有可能替 代s n - p b 焊料的无毒合金是锡基合金，主要以锡为主，添加a g 、z n 、c u 、s b 、b i 、i n 等 金属元素【4 】。通过焊料合金化来改善合金性能，提高可焊性，满足对焊料综合性能方面 的要求。目前业界比较统一的认识就集中在s n a g c u ( s a c ) 、s n a g 以及s n c u 共晶焊料， 而各组织和机构对合金组成比例则有不同的看法和选择【5 】。 随着无铅焊料应用的普及，无铅焊料焊点的可靠性问题备受关注【6 】。广义的可靠性 是指一个产品提供其预期功能的能力。i p c ( 国际封装互连协会) 将可靠性定义为：产 品的功能在给定环境和特定时期内未超过可接受的失效级别的能力【7 】。电子封装中广泛 采用的s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 封装技术及新型的c s p ( c h i ps i z ep a c k a g e ) 、， b g a ( b a l lg r i da r r a y ) 等封装技术均要求通过焊点直接实现异材间电气及刚性机械连接 ( 主要承受剪切应变) ，焊点的质量与可靠性很大程度决定了电子产品的质量【8 ，9 】。一个 焊点的失效就有可能导致电路系统整体的失效，因此如何保证焊点的质量是一个重要问 题。对焊点破坏行为和破坏机理、焊点的可靠性评估和寿命预测的研究已有不少新的成 果【1 0 _ 1 4 1 。无铅焊点的可靠性问题主要有：焊点的剪切疲劳与蠕变裂纹【1 5 1 7 1 、电迁移【1 6 】【1 8 】、 焊料与基体界面金属间化合物形成裂纹【1 4 1 6 ，1 9 , 2 0 1 、s n 晶须生长引起短路【1 6 1 、电腐蚀和 化学腐蚀问题【1 5 】等。 1 1 2 无铅焊点可靠性实验 可靠性试验就是为评价分析电子产品可靠性，而对受试的样品施加一定的载荷，包 括电加载，热加载，机械加载或其综合。通过试验检查样品的各种性能参数是否仍旧符 合技术指标，从而判断样品是否失效或可靠。常用的试验有：机械振动试验，机械冲击 试验，恒定加速度试验，引线强度试验，键合强度试验等。常用的环境试验有温度循环 试验，热冲击试验，高温储存试验，潮热试验，高压蒸汽试验，密封试验等。还有一些 特殊的试验如抗核辐射试验等。另外还有可靠性筛选试验，它通过各种方法将有质量问 题而可能发生早期失效的产品予以剔除和淘汰。在可靠性试验中用于分析损伤探测的仪 器主要有超声显微镜，x 射线显微镜，扫描电子显微镜，透射电子显微镜，离子探针， 中南大学硕士论文 第一章绪论 俄歇电子能谱分析仪，红外热分析仪等【2 l 】。 1 - 1 3 无铅焊点的失效 焊点作为电子封装互连点而起着机械连接、电气连接和热传导三种作用。焊点失效， 是指在设计所规定的时间内和服役条件下，按照所应用的失效准则，丧失了焊点所应承 担的效能。焊点的失效可分为两类：一是焊点的机械连接失效，指焊点发生断裂，完全 失去原来的功能，发生永久性破坏。二是焊点的功能失效，表现为焊点的某些参数随工作 时间延长或工作环境变化等因素而发生质的变化。 焊点失效模式主要取决于焊点结构和微观组织。影响焊点结构的因素很多，如空洞， i m c 层的生长，锡须，曼哈顿现象( 立碑现象) ，虚焊，焊点剥落等。空洞是焊接后互连 焊点内出现气孔的一种现象。在b g a c s p 等器件上这种缺陷表现的尤为突出。其产生 的原因主要是：助焊剂没有充分的蒸发。在焊接过程中，熔融的焊料与器件、基板发生 界面反应，反应产物即金属间化合物( i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ，i m c ) ，在老化条件下， i m c 层也会生长，在第二章第一节中详细探讨了i m c 对焊点的影响。锡须是从元器件和接 头的锡镀层上生长出来的，如果这些导电的锡须长得太长的话，可能连到其它线路上， 并导致电气短路。但是它的生长需要一定的时间，所以其长期可靠性的影响比较大。曼 哈顿现象是片式元件的一端焊接在焊盘上，而另一端则翘立。引起这种现象的主要原因 是元件两端受热不均匀，焊膏融化有先后所致。虚焊是由于焊接温度偏低，焊料没有完 全熔融而引起的。焊点剥离是指焊接完成后，发现焊点从焊盘上剥离开，从而使焊点失 效。产生这种现象的具体原因：主要是焊盘和元器件的热膨胀系数不匹配，在受热或者 冷却收缩过程中两者产生应力，致使焊盘从器件上剥离开；另一原因是热场分布不均匀， 从而使焊盘在受热时受的应力不均匀，致使焊点在应力的作用下剥离。 根据史建卫等【2 2 】分析所知：焊点在实际使用环境中，失效主要原因包括温度、湿度、 振动和灰尘等，各占比例为5 5 、1 9 、2 0 和6 。由此可见，温度、湿度这两个因素 对焊点的失效影响很大，超过7 0 以上。一般来说，蠕变和热力疲劳是电子封装焊点的 主要载荷，对焊点的可靠性评价也主要针对该两种情况 2 3 ，2 4 1 ，特别是热循环对焊点可靠 性的研究。 1 2 湿热载荷对无铅焊点可靠性的影晌及研究现状 1 2 1 湿热载荷对无铅焊点可靠性的影响 电子元器件在整个生产和使用过程中，由于元器件周围环境的变化，在元器件内部 都会出现湿、热应力和变形，从而导致电子元器件出现可靠性问题甚至失效。从无铅焊 点失效原因也可以看出，湿、热在焊点失效的原因中占了很大比例，因此研究湿热载荷 对无铅焊点可靠性的影响有很大必要。 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 焊点最常见的破坏大多由于热循环导致，在使用时芯片发热，热量透过封装体传导 到焊点，使焊点温度上升。由于封装体与基板间的热膨胀系数不同，当温度变化时，封 装体会产生翘曲，焊点介于中间，会因应力而变形。当停止使用时，温度降回室温，造 成与使用时相反的应力，使得焊点随着一次次的使用而产生形变，如同热疲劳；接着产 生裂纹、扩展，形成一断裂面，使电阻值提高，讯号无法通过焊点传递，最后使元件失 效。 实际生活中，电子元器件经常暴露在大气环境中，受到大气湿度的影响。电子元器 件的封装材料吸收大气中的湿度，发生膨胀。焊点介于中间，会因拉伸的应力而变形。 当湿度蒸发时，封装材料收缩，焊点受到挤压的应力。封装材料的吸湿和湿度蒸发使得 焊点受到一次次相反的应力而产生形变，如同热循环作用。随着封装材料吸湿和湿度蒸 发次数的增加，使得焊点产生裂纹。在后来的湿应力作用下，裂纹就会扩展，最后形成 一断裂面，使元器件失效。湿度对裸露焊点的影响，表现为腐蚀。冼俊扬【2 5 】采用户外大 气暴露和人工模拟溶液的方法，研究了s n 9 z n 合金在大气环境和腐蚀性溶液中的腐蚀 行为。z n 含量为8 5 ，试样面积：2 0 r a m x 2 5 m m ，厚度：0 8 m m 。试样在自然条件下暴 露1 2 天，再用扫描电子显微镜观察样品，在腐蚀产物表面发现有大量的d , n 球状突起 ( 1 - 2 a n ) ，表明大气腐蚀产物是一种体积膨胀式发展模式；在腐蚀产物中里发现有生 长良好的氯化锌，说明氯离子在大气腐蚀中有重要作用。人工模拟溶液原料为蒸馏水和 化学纯的n a c l 和n a 2 s 0 4 。两种盐的摩尔比例为1 ：l 。配置浓度分别为( m 0 1 4 ) ：0 0 0 2 、 0 0 1 、0 0 2 、0 0 5 、0 1 0 的模拟大气腐蚀溶液，进行加速腐蚀试验。在1 5 天时间内，试样 单位面积失重量已达到2 0 m g 佃乙- 2 5 m g m 2 ，而且发现腐蚀溶液中盐的浓度对腐蚀速度 影响不大。 1 2 2 湿热载荷下无铅焊点研究现状 现在研究热循环对无铅焊点可靠性的影响较多。普遍认为焊点在热循环条件下的失 效机制是蠕变疲劳的交互作用，因此研究焊料在热循环下的应力应变环、热蠕变和热疲 劳行为，对深入了解焊点的失效机理具有重要意义。x uc h e n 2 6 】等人通过对各种焊料制 作而成的一定标准的试件进行恒温的机械疲劳实验，并研究温度和机械加载频率对焊料 应力应变的影响，对焊料的热应力应变、应力应变松弛以及失效机理等方面进行了有意 义的探讨。x w l i u 【27 j 等人则对制作而成的焊点进行热机械疲劳实验，研究其应力应变 及失效机理。在热循环加载条件下，由于元器件、焊点及基板的热膨胀系数不匹配而导 致焊点内部产生热应力应变，从而导致焊点的热失效，所以应力应变分析是焊点可靠性 预测的基础，受到了人们的广泛关注。杨艳，尹立孟等【2 8 】针对高度为1 0 0 3 0 0 a n 的无铅 ( s n 3 0 a 9 0 5 c u ) 微焊点，研究了恒温热时效和焊点尺寸对其在1 0 0 下拉伸强度的影 响。结果表明热时效时间延长，微焊点内铅料合金显微组织明显粗化，导致焊点拉伸强 度降低。 3 中南大学硕士论文 第一章绪论 一些学者研究了湿热环境下对焊点的影响。韦习成，鞠国魁，孙鹏【2 9 】等研究者对 s n - z n 基焊料经高温和高湿环境时效后的显微组织演化进行了研究。结果表明，在高温 和高湿环境下显著影响s n z n 基无铅焊点的显微组织，促进z n 相析出或富z n 长大，从 而促进界面裂纹形成，降低焊点的可靠性。王栋，马孝松【3 0 研究了在湿热环境下倒装焊 无铅焊点的可靠性。结果表明在湿热环境下，底充胶材料内部残留的湿气提高了焊点的 应力水平，从而加速了焊点裂纹的产生。马孝松【3 1 3 3 】得出：湿度对倒装焊焊点可靠性造 成威胁与温度类似。在同样的温度下若考虑湿度的影响，会使封装材料应力增加 1 0 3 0 ，使其力学性能降低1 0 3 0 。周祥，王应海，袁丽娟【3 4 】等对无铅倒装焊点 的热应力与湿热应力分析，他们采用有限元软件分析了潮湿环境下板上倒装芯片下填充 料在敏感元件实验标准m s l - 1 条件下( 8 5 8 5 r h ，时效1 6 8 h ) 的潮湿扩散分布，进 而分别模拟计算出无铅焊点的热应力与潮湿应力，并加以分析比较。研究表明：焊点的 高应力区域都出现在焊点与芯片最外侧的交界处，且湿热应力比单独的热应力大，在低 温时的应力大于高温时的应力。现有研究表明在湿热环境下，湿热应力明显大于它的热 应力。 现有湿热环境对焊点影响的研究，大部分针对某种封装下的元器件中的多个焊点， 在实际生活中，电子产品上有大量焊点都是裸露在空气中，直接受湿热因素的影响，因 此有必要研究湿热条件对裸露焊点的影响。迄今为止，研究湿热条件对裸露焊点的影响 的成果较少。本文针对在湿热条件下，对单个裸露焊点进行研究。 1 3 无铅焊点可靠性的电测方法及现状 1 3 1 无铅焊点的电测方法 受损焊点内裂纹的增加使得焊点的电阻、电感、电容等参数增加，导致传输信号的 改变，如幅值的衰减、波形的失真和时间的延迟，在电路系统中出现异常状况，误触发 导致输入的畸变数据被送入锁存；或在畸变的时钟跳变沿捕获数据；信号不能正常响应 等，导致电路系统工作性能下降，甚至停止工作。尽管此时的焊点没有断开，能导电， 但是由于其传输信号的能力降低，导致电路系统不能正常工作，就认为焊点已经失效了， 这种失效可称为功能失效。另一方面，无铅焊点应用于电子产品中，就理论和实际而言， 其机械特性与电学特性存在一定的关系【3 5 1 。随着焊点在服役过程中微裂纹的扩展和i m c 层的生长，焊点的电阻、电感、电容等参数将相应发生改变，而焊点电参数的改变从另 一个角度说明了焊点内部组织结构的变化情况。因此有必要从电学的方面对焊点进行研 究。另一方面电测方法有在线测试，快捷的优势：基于上述理由，无铅焊点可靠性电测 方法便有广阔的发展前景。目前，电测法已广泛应用。例如，日本富士通公司技术人员 对该公司手机电路板( b g a 焊点) 进行温度循环测试和跌落测试，测试时在线路板和器件 之间设计的就是一个雏菊形链状连接【3 6 1 。国内的吴丰顺等人就是利用四探针测量的方法 4 中南大学硕士论文第一章绪论 研究无铅焊点的电迁移失效【3 7 1 。 1 3 2 无铅焊点电测方法的现状 本课题组采用电测量方法，利用特制的焊点在线测试系统，对单个焊点进行研究并 取得了一定的成绩。文献【3 8 】以焊料( s n - 3 5 a g ) 在薄铜基片之间制作截面积约为l 删n 2 ， 厚度分别为0 4 2 r a m 和o 1 0 m m 的试样( 大小与电子封装中的无铅焊点大体相同) 为研 究对象，利用特制的电子测试系统实时、在线测量试样焊点的微电阻及其剪切应力。结 果表明：电阻时间曲线图反映了焊点的裂纹连续生长、蠕变失效过程，变化趋势与经 典结果吻合。并且基于经典的g r i f f i t h 断裂模型，建立了一个简易数学模型，从理论上 论证了电阻应变与焊点机械蠕应变裂纹之间的关系。文献 3 9 】以长宽各l m m 、厚0 2 m m 的s n a g c u 焊点试样为研究对象，分别进行了室温剪切蠕变、高温剪切蠕变、热循环疲 劳以及热循环疲劳加剪切蠕变实验。结果表明： 1 、不同载荷方式下，焊点寿命不同，热循环疲劳实验中的焊点寿命最长；高温剪切蠕 变实验中的焊点寿命最短，因而焊点寿命与载荷大小呈反比关系。 2 、四项实验的测试曲线都反应了焊点的裂纹连续生长、蠕变失效过程，变化趋势与经 典结果吻合。 3 、不同载荷方式下的焊点失效断裂时，电阻应变量各异，即断裂前焊点内部损伤情况 不同，因此通用电失效判据电阻应变1 0 已不适用于热循环下焊点的失效。 文献 4 0 】在室温( 2 5 c ) 下给s n a g c u 焊点施加2 4 n 的剪切拉力，分别对h 为0 0 5 m m ， o 1 0 m m ，o 1 5 m m ，0 2 0 m m ，0 2 5 r a m ，0 3 0 m m ，0 4 0 m m ，o 5 0 m m 八种不同厚度的焊点试样 进行电阻应变的测试与分析。得到如下结论： 1 、剪切蠕变条件下，横截面积为l m m 2 的矩形焊点( s n 3 s a g ) 存在最优厚度0 2 5 m m ， 使其电阻应变最小，蠕变性能最优。 2 、电阻应变占，与焊点厚度h 之间存在一定量关系式： 占，= 1 2 0 8 4 0 2 h 4 - 1 9 9 5 0 3 h 3 + 1 1 4 1 6 h 2 - 2 6 7 2 4 h + o 2 2 3 9( 1 1 ) 蠕变应变s ，与焊点厚度h 之间也存在一定量关系式： 占。= 0 3 3 4 5 h 4 0 4 6 3 2 h 3 + o 2 31 h 2 0 0 4 6 7 h + o 0 0 8 3 ( 1 - 2 ) 焊点缺陷、孔洞等在与电流相互垂直方向上的等效面积与焊点厚度h 存在的对应关 系式： s c = w l c h e x p ( y ( h ) ) ( 1 3 ) 3 、采用电阻应变来描述蠕变的方法是可行的，电阻应变与蠕变应变对应的关系式： g ，= 7 4 7 1 4 5 舌：。一0 3 6 7 2 ( 1 - 4 ) 文献 4 1 1 中设计并实现了循环