（材料加工工程专业论文）合金元素对sn07cu无铅钎料压入蠕变性能的影响.pdf

西华大学硕士学位论文 合金元素对s n 0 7 c u 无铅钎料压入蠕变性能的影响 摘要 材料加工工程专业 研究生：廖春丽指导教师：曾明教授 本文对s n 0 7 c u ，以及添加适量的i n 、b i 、a g 的s n 0 7 c u 无铅钎料的压 入蠕变行为进行了研究，并且对其显微组织进行了分析，主要内容和结论如下： ( 1 ) 在所试验的温度( 6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 ) 和压力( 3 0 m p a 、3 5m p a 、 4 0 m p a 、5 0 m p a ) 下，s n 一0 7 c u 、s n - 0 7 c u 一2 i n 、s n - 0 7 c u - 2 b i 、s n 一0 7 c u - l a g 的压入蠕变量和压入蠕变速率均随着温度的升高和应力的增大而提高，稳态压 入蠕变速率均符合半经验公式： 毒= a c t “e x p - q ( r t ) 】。 ( 2 ) 在本试验的温度和应力条件下，s n 0 7 c u 、s n 0 7 c u 2 i n 、s n 0 7 c u 2 b i 、 s n 0 7 c u 1 a g 的应力指数平均值 分别为5 2 0 、4 0 3 、4 2 0 、3 7 8 ，激活能和夕 s n 的位错管道扩散激活能相差不大，均接近6 0 k j m o l 。s n 0 7 c u 无铅钎料的 压入蠕变变形机制主要是由位错攀移引起；s n 0 7 c u - 2 i n 、s n - 0 7 c u 2 b i 、 s n - 0 7 c u 1 a g 的压入蠕变变形机制在6 0 。c 8 0 。c 时主要为位错滑移，8 0 1 2 0 。c 主要为位错攀移。 ( 3 ) 在s n 0 7 c u 钎料合金中加入2 w t 的i n 以后，一部分h 1 圃溶在s n 基 体中，另一部分与s n 形成的i n s m 金属间化合物相对均匀地分布在p s n 基体 中，因此加入i i l 起到强化基体的作用，提高了合金的抗蠕变性能。 ( 4 ) 在s n 0 7 c u 钎料合金中加入2 w t 的b i 以后，b i 固溶在s n 中造成晶格 较大的畸变，阻碍晶体滑移面的位错运动，导致其变形抗力大为增加，形成固 溶强化，且晶界处偏聚的b i 颗粒对位错有钉扎作用，提高了钎料合金的抗蠕变 性能。 西华大学硕士学位论文 ( 5 ) 在s n 0 7 c u 钎料合金中加入1 w t 的a g 以后，在金属间化合物形成前 期a g 可以促进形核，后期可以阻碍晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，从而 增加了相界面，增加了滑移变形的阻力。a 9 3 s n 、c u 6 s n 5 两相硬而脆弥散分布 在基体中，对基体的变形起到阻碍作用，因此a g 的加入起到了细晶强化和弥 散强化，提高了钎料的抗蠕变性能。 ( 6 ) s n 0 7 c u 2 i n 钎料合金中的c u 6 s n 5 、i n s n 4 在压入蠕变的过程中吸收了大 量的热能和界面能发生再结晶，使得部分c u 6 s n 5 ，i n s n 4 组织变小甚至消失。 s n 0 7 c u 2 b i 钎料合金在较高的温度和压力下产生塑性变形，导致品格扭曲， 晶粒破碎，组织处于不稳定状态，随着温度的升高该钎料出现回复再结晶，最 终晶粒长大的现象，在高温下时间越长，晶粒越大。s n 0 7 c u 1 a g 钎料合金在 蠕变的连续挤压过程中部分针状a 9 3 s n 组织被碎化成细小的颗粒。 关键词：s n 0 7 c u 无铅钎料，压入蠕变，显微组织，应力指数，激活能 i l 西华大学硕士学位论文 e f f e c to ft h ei n d e n t a t i o nc r e e pp r o p e r t yo f s n - 0 7 c ul e a d f r e es o l d e rc o n t a i n i n ga l l o y e l e m e n t s a b s t r a c t m a j o ri nm a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l i a oc h u nl is u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z e n gm i n g i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho l ls n 一0 7 c ua sw e l la ss n 一0 7 c u b a s e do nl e a d - f r e ew h i c hw e r ea d d e ds o m ei n ，b i ，a g t h r o u g hc o m p a r i s o na n d a n a l y s i so fc h a n g e so ft h em i c r o s t r u c t u r eb e f o r ec r e e pa n da f t e rc r e e p t h em a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e r t h et e s t t e m p e r a t u r e o f6 0 ，8 0 0 c ，1 0 0 。c ，1 2 0 。c ，s t r e s so f 3 0 m p a ，3 5 m p a ，4 0 m p 毛5 0 m p a ，t h ei n d e n t a t i o nc r e e pd e f o r m a t i o na n dc r e e pr a t e o fs n - o 7 c u ，s n 一0 7 c u - 2 i n ，s n 一0 7 c u - 2 b i ，s n - 0 7 c u l a gw e r ec h a n g e di n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n dc o m p r e s s i v es t r e s s ，t h es t e a d yc r e e pr a t e o b e y sa l le m p i r i c a le q u a t i o n 舌= a o 一e x p - q ( 月r ) 】 ( 2 ) f o rs n - 0 7 c u ，s n 一0 7 c u 一2 i n ，s n 0 7 c u - 2 b ia n ds n - 0 7 c u 一1 a gl e a d f r e es o l d e r , t h es t r e s s a v e r a g ee x p o n e n t s ( n ) a r e5 2 0 ，4 0 3 ，4 2 0 ，3 7 8 a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ，a n dt h ea p p a r e n tc r e e p a c t i v a t i o n e n e r g i e s a r es i m i l a rw i t h 6 0 k j m o lu n d e rd i f f e r e n ts t r e s s e s t h ec r e e pm e c h a n i s mo fs n - 0 7 c ua r e c o n t r o l l e d b y d i s l o c a t i o n c l i m b ；t h e c r e e p m e c h a n i s mo f s n - o 7 c u - 2 i n ，s n 0 7 c u 一1 b i ，s n 一0 7 c u 一1 a ga r ec o n t r o l l e db yd i s l o c a t i o ng l i d e u n d e rt h et e m p e r a t u r eo f6 0 c - - , 8 0 ，b yd i s l o c a t i o nc l i m bu n d e rt h et e m p e r a t u r e o f 8 0 1 2 0 ( 3 ) a f t e rt h e2 w t i na d d e di ns n 一0 7 c ul e a d f r e es o l d e r , o n ep o r t i o no fi ns o l u t e s i 西华大学硕士学位论文 i np s nm a t i x ，t h ei n s mw h i c hd i s t r i b u t eo nt h ep s nm a t r i xe v e n l yc o m e st o b e i n gw i t ht h ei ns u r p l u sa n ds n s ot h ei na d d e ds t r e n g t h e st h ep - s nm a t r i x ；t h e c r e e pr e s i s t a n c ei si m p r o v e d ( 4 ) a f t e rt h e2 w t b ia d d e di ns n 7 c ul e a d - f r e es o l d e r , b is o l u t e si n3 - s nm a t r i x t oc a u s el a t t i c ed i s t o r t i o n ，w h i c hi m p e d et h ed i s l o c a t i o ng l i d ea n dt h er e s i s t a n c e t od e f o r m a t i o ni n c r e a s e d ，p l a y i n gak e yr o l ei ns o l u t i o ns t r e n g t h t h eb ig r a i n s a r ep i n n e do nt h eb o u n d e r yf o rd i s l o c a t i o n ；t h ec r e e pr e s i s t a n c ei si m p r o v e d ( 5 ) a d d i n g lw t a gt os n 0 7 c u ，t h ea gc a np r o m o t en u c l e a t i o nb e f o r et h e f o r m a t i o no fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sa n dr e s t r a i nt h eg r o w t ho ft h ec r y s t a l g r a i n sl a t t e r l y s oi tr e f i n e st h eg r a i n s ，a d d st op h a s ei n t e r f a c e sa n di n c r e a s e st h e r e s i s t a n c et o g l i d ed e f o r m a t i o ni n t h ec r e e p t h eh a r d e ra n db r i t t l e p h a s e s a g s s n ，c u 6 s n 5w h i c hp r e v e n tt h em a t r i xd e f o r m i n gd i s t r i b u t ei nt h ef l i s nm a t r i x ； t h ec r e e pr e s i s t a n c ei si m p r o v e d ( 6 ) t h ep h a s e sc u 6 s n 5 ，i r i s h 4g e ts m a l l e ro re v e ne x t i n g u i s h e da f t e rc r e e po na c c o u n t o fa b s o r b i n gam a s so fh e a te n e r g ya n di n t e r r a c i a le n e r g yi nt h ei n d e n t a t i o n c r e e pp r o c e s s t h es n 一0 7 c u 2 b i l e a d f le es o l d e ra l l o y p r o d u c e sp l a s t i c d e f o r m a t i o nu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r el e a d i n gt od i s t o r t e dl a t t i c ea n d g r a i n sb r o k e n t h ei n s t a b l es t r u c t u r e sr e s t o r ea n dr e c r y s t a l l i z e ，g r a i n sg r o w t hi n t h ee n da st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h el o n g e ru n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r e ，t h e b i g g e rt h eg r a i n s ap a r to fa c i c u l a ra 9 3 s ni m co ft h es n 0 7 c u - l a gl e a d f l e e s o l d e rg e ts m a l l e rp r e c i p i t a t e si nt h ep r o c e s sc o n t i n u o u se x t r u s i o n k e yw o r d s ：s n 一0 7 c ul e a d f l e es o l d e r , i n d e n t a t i o nc r e e p ，m i c r o s t r u c t u r e ，s t r e s s e x p o n e n t ，a c t i v a t i o ne n e r g y i v 西华大学硕士学位论文 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。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，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名詹匆刁 导师签名翻口彳 ， i j 7 6 年易 日 日 p 臼， 月 月 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 廖芳刁枷“汐锄盯口川- b - f 护 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无铅钎料提出的背景 1 1 1 环保时代与铅的危害 进入2 1 世纪，随着人类环保意识的增强，电子信息产品的“绿化 浪潮正 在全球范围内兴起，环境保护已成为国家可持续发展策略的一部分。1 9 7 0 年夏， m a s s a c h u s e t t s 技术学会首次系统地评估了全球的环境问题，并指出当时意识到 的较危急的环境问题为：矿物燃料燃烧散发的二氧化碳；大气中的微粒物质、 喷气式飞行物的卷云、水的热污染和杀虫剂的影响；汞和其他有毒重金属、海 洋上的石油和海岸水资源的富集。同年，美国总统尼克松向美国国会呈交了第 一份有关环境质量的总统会议报告，之后不久，美国环境保护署( h ) a ) 诞生 了，环境问题进入政治领域。美国环境保护署禁止在汽油中添加铅，从而使得 在1 9 8 0 - 1 9 9 9 年空气中铅的浓度降低9 4 ，自1 9 9 2 年以来，美国环保署多次向 国会提交了禁止铅在多个领域中使用的议案。 多年来，电子产品的组装技术中最常用的钎焊材料为s n p b 钎料，该钎料含 大量的铅。由于该类钎料具有有良好的润湿性能、导电导热性能、价格低廉等 优点，因此颇受青睐。但由于铅的毒性，在当今时代电子信息产业蓬勃发展的 同时，随之也带来了巨大的环境隐患。电子产品中通常携带铅、汞、六价铬等 有毒有害金属，铅的毒害排在第一位。据报道：一台普通的电脑仅显示器中铅 含量平均就达1 公斤多，而主机中的p c b 板、其他各部件之间的焊接、c p u 等芯 片的封装也需要大量的铅，近年来，含s n p b 钎料的电子产品废弃物剧增，回收 困难，传统上采用的填埋处理方法污染水源，当遇到酸雨时，更会促进铅的腐 蚀、溶解、扩散、富集，对环境、人畜生存构成极大威胁【l 】。 铅对环境的危害： ( 1 ) 铅与土壤的质量比为1 0 0 一1 0 0 0 m g k g 时，铅对植物的光合作用有较明 显的影响。 ( 2 ) 对于水中动物而言，铅的主要毒副作用表现在使其脊骨畸形和尾部变 黑，且有机铅化合物的毒性要高于无机铅化合物。 ( 3 ) 对于哺乳动物和鸟类来说，铅对其血液系统、中枢神经系统、肾、免 西华大学硕士学位论文 疫系统等具有毒副作用。 铅对人体的危害： ( 1 ) 铅在人体内易于积累，特别是铅离子与人体内蛋白质的结合会抑制蛋 白质的正常化合。 ( 2 ) 儿童血液中含铅量超过4 0 t g d l ，血红蛋白合成将发生困难并会导致贫 血。 ( 3 ) 儿童的血铅浓度过高与低智商之间存在联系。 ( 4 ) 对于胎儿或发育期儿童，铅中毒将严重损伤其学习能力和神经系统。 从上述铅对环境的影响，在很大程度上是全球经济、技术发展的结果。铅对环 境的污染、破坏，最终还是要在人身上体现出来，最终受害者还是人类自身。 1 1 2 部分国家对限铅所采取的措施 随着人类对环保的呼声越来越高，工业发达国家己相继出台一系列法令和 法规来防治电子产品所带来的铅污染问题，限制铅在电子产品中的使用，以期 全面实现电子产品无铅化。 ( 1 ) 美国对限铅的立法 早在1 9 7 8 年美国就禁止在商业中使用含铅颜料，1 9 8 6 年又立法禁止在饮 用水供应网中使用铅管，1 9 9 2 年，美国国会提出了r e i d $ 7 2 9 法案，建议在电 子组装行业中禁止使用含p b 物质，并且对工厂中的主要含p b 产品征收$ 1 6 9 k g 的税，对次要含p b 产品征收$ 0 8 3 k g 的税。这是一个多方面的环境保护法案， 虽然最终没有通过，但在电子行业中引起轩然大波【2 , 3 】。尽管当时美国电子产品 全面禁铅还不太可能，但含铅产品将会由于法规、征税而大幅度提高价格。为 此，许多公司已经积极联合政府采取禁铅行动。最近几年，美国的一些州引入 了一系列的立法与提议，2 0 0 5 年，加利福尼亚州通过了1 6 8 1 号议案，在4 1 5 章中对珠宝产品的含铅予以了立法限制；2 0 0 6 年，伊利诺斯州对已经颁布了 p r o c u r e m e n tc o d e 的修改法令，对被儿童使用或者会被儿童咀嚼的产品的铅含 量予以了限制；2 0 0 7 年，佛蒙特州已提出铅含量不得超过0 0 0 1 的要求并执 行相关法案。 2 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 北欧对限铅的立法 1 9 9 4 年，丹麦、瑞典、芬兰、挪威、冰岛签署声明：要在长期使用领域逐 步淘汰铅制品。1 9 9 7 年6 月1 6 日，瑞典政府宣布在未来l o 年内必须把含铅制 品从产品中剔除。瑞典在环境质量目标中明确，2 0 2 0 年后任何进入瑞典的产品 都将无铅化，而瑞典的产品要自2 0 0 0 年起无偿遵守这条禁令【4 】o 在1 9 9 9 年之 前，荷兰和瑞士就通过了包含生产者相关责任的法案。随即，挪威在1 9 9 9 年， 瑞典在2 0 0 0 年也通过了相关法案。 ( 3 ) 日本对限铅的计划 19 9 6 年10 月，日本m i t i ( m i n i s t r yo fi 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 ) 宣布 回收废旧汽车及家电产品；同时，日本汽车行业协会制定自管理环境计划：汽 车中的p b 使用量到2 0 0 0 年减少一半( 包括电池中的含p b 量) ，到2 0 0 5 年减 少到1 3 。19 9 8 年1 月3 0 日j e i d a o a p a n e s ee l e c t r o n i ci n d u s t r yd e v e l o p m e n t s o c i a t i o n ) 和j i e p ( j a p a n e s ei n s t i t u t eo fe l e c t r o n i c sp a k a g i n g ) 提出无铅计划。例如： 日立公司1 9 9 9 年铅的使用量为1 9 9 7 年的一半，计划于2 0 0 1 年所有产品完全实 现无铅，松下公司在2 0 0 5 年全面禁止使用含铅焊料，索尼公司2 0 0 0 年的使用 量仅是1 9 9 6 年的一半。2 0 0 1 年，除高密度封装外，所有产品实现无铅，n e c 在世界上率先推出三款使用无铅主板的笔记本电脑，下一步计划在台式电脑主 板制造中实现无铅。尽管你还没有取缔铅的使用，但日本贸易大臣在1 9 9 8 年5 月提出禁止任何含有毒元素的废弃物进入环境。日本政府还宣布从2 0 0 3 年1 月开始全面推行无铅化。 ( 4 ) 欧盟指令 2 0 0 3 年2 月1 3 号，欧盟以官方的形式公布：讨论了达5 年之久的“废弃 电力电子设备指令( d i r e c t i v eo nw 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 ，w e e e ) 和“电力电子设备中禁止使用某些有毒有害物质指令 ( d i r e c t i v eo nt h er e s t r i c t i o no ft h eu s eo fc e r t a i nh a z a r d o i l ss u b s t a n c e si n e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，r o l l s ) 正式生效，指令中明确列出了六种要 求禁止使用的有毒有害物质，即铅( l e a d ) 、汞( m e r c u r y ) 、镉( c a d m i u m ) 、 西华大学硕士学位论文 六价铬( h e x a v a l e n tc h r o m i u m ) 、聚合溴化联苯( p o l y b r o m i n a t e db i p h e n y l s ，p b b ) 和聚合溴化联苯乙醚( p o l y b r o r n i n a t e dd i p h e n y le t h e r s ，p b d e ) 。其中，铅排在 第一位。并规定从2 0 0 6 年7 月1 日起，所有成员国进入市场的电力电子产品不 能含有这六种有毒有害物质。w e e e 和r o l l s 指令所涉及的电力电子产品有： 大、小型家用电子设备、i t 及通信设备、消费类电子产品、照明设备、医疗器 具、玩具、监控仪器、自动柜员机等。欧盟指令不仅具有环保意义，从市场的 商业行为来讲，它更是为未来的市场准入增设了一道绿色的技术壁垒。上述六 种有毒有害物质都是目前在电子产品制造过程中被广泛使用的物质，它们被全 面禁止使用必然会对产品的设计、材料选择、制造工艺等带来全方位的影响。 例如，在电子产品的印刷电路板级组装过程中，无论采用手工烙铁焊、浸渍焊、 波峰焊还是回流焊，目前广泛使用的都是s n p b 钎料。而要突破欧盟技术的壁 垒，就必须向无铅化电子组装转型。随着国外对电产品无铅化的要求，我国电 子产品生产面临严峻的考验【5 1 。 ( 5 ) 中国对限铅的规定 欧盟2 5 国是我国家电企业的重要出口地区。中国家电协会的一项统计显 示，我国出口欧盟的家电产品占我国所有家电产品出口数量的3 2 ，但随着 r o l l s 指令的颁布，投放欧洲市场的电子电气设备中的铅、汞、镉、六价铬、 多溴联苯和多溴二苯醚等六种有害物质含量不得超过规定限量给我国家电产品 的出口树起“绿色壁垒”。我国电子产品生产面临严峻的考验，因此，我国政 府也高度重视对上述指令的应对问题。早在2 0 0 3 年3 月，中国信息产业部经济 运行司即开始拟定电子信息产品生产污染防治管理办法，其核心内容与欧盟 指令一致，该管理办法已在2 0 0 5 年正式出台。 1 2 无铅钎料在电子连接与封装中的作用 1 2 1 无铅钎料的定义 铅常以杂质的形式在于锡或金属中，其质量比小于0 1 ，目前无铅钎料仍 是以锡为主体的钎料，因此在此类焊料中仍含有微量的铅，并且它用一般冶炼 的技术难以去除。无铅焊料的标准在世界上尚无统一的标准，但能从欧盟、美 4 西华大学硕士学位论文 国、日本知名的协会组织提出无铅焊料定义而加以说明，即欧盟e u e l v d 协会 的标准是：p b 质量含量 o 1 ；美国j e d e c 协会的标准是：p b 质量含量 0 2 ； 日本y e i d a 协会的标准是：p b 质量含量 0 1 t 6 1 。 1 2 2 无铅钎料在封装中的作用 表面组装焊点实际上是个软钎焊的搭接接头，用钎料合金把陶瓷芯片载体 和树脂印刷电路板连接起来。钎料作为一种连接材料，在电子封装中担任着机 械连接、电气连接和热交换等任务，在服役工作过程中，主要承受热循环温度 载荷，但也不排除剧烈的振动、冲击等机械载荷。例如，火箭在发射升空过程 中就可能因振动引起控制电路的失效。随着表面组装技术的兴起和越来越广泛 的应用，以及对电子线路板的超细间距式设计的不断追求，使得焊点尺寸越来 越小，其所承受的热学、电学及力学载荷却越来越高。这就要求新型的无铅钎 料不仅要具有良好的工艺性能，更重要的是要有更高的力学性能，尤其是抗疲 劳、抗蠕变性能，以满足电子工业中不断增长的对可靠性的要求，确保其在服 役过程中能可靠运行。钎料应用在各级电子封装中，在二级封装( 将元器件或 封装好的芯片组装到印刷电路板p c b 上) 中，钎料是主要的连接材料。实际上， ( c ) 犀盘 ( b ) 钎一 f i g 1 1 t h ej o i n tf o r mo f e l e c t r o n i cp a c k a g i n g 图1 1 电子组装互连接头形式 ( a ) t h t 钎焊接头( b ) s m t 钎焊接头( c ) b g a 钎焊接头 西华大学硕士学位论文 几乎所有的微电子设备都是靠钎料封装到p c b 板上的，经过几十年的发展，进 入2 0 世纪9 0 年代后，由于用s m t 组装电子产品具有体积小、性能好、功能 全、价位低的综合优势，s m t 已经逐步取代了传统的t h t 技术，成为首要的 电子产品组装技术，图1 1 为电子组装互连接头形式7 1 。 1 3 电子封装技术的发展与对无铅钎料的要求 进入2 1 世纪以来，全球电子工业已经成为科学技术、先进制造业以及整个 经济发展动力，信息化已成为当今世界经济和社会发展的大趋势。随着超大规 模集成电路和微型化片式元器件的发展与广泛应用，制约电子整机和系统进一 步实现高性能和小型化的主要因素已不再是元器件本身，而是电路和系统的组 装方式，同时电子封装与组装操纵着电器产品的尺寸及其可靠性，因此用于电 子封装与组装的材料和技术己成为决定电气系统性能、成本、尺寸及可靠性的 最关键因素。 1 3 1 可靠性问题的提出 最早对表面组装可靠性表示关注的是i b m 公司，它指出在循环功率及循 环环境温度的作用下，s m t 焊点可能存在可靠性问题。后来通用电气公司发表 论文，指出6 0 s n - 4 0 p b 钎料焊点存在疲劳失效现象，同时欧洲空间中心发现， 无引线陶瓷芯片载体( l c c c ) 封装软钎焊焊点在5 5 1 2 5 经1 0 0 周热循环， 就能出现可视缺陷和电信号传输失真。从此关于s m t 可靠性的论文在杂志及 国际会议上大量出现。在许多情况下，电子系统可靠性的丧失不是因为电子器 件功能的丧失，而是由于钎焊焊点的力学失效。根据焊点受力方式又可归类为： 拉伸、压缩、压入、剪切蠕变失效。可靠性问题还包括接头中的电子迁移以及 接头与界面处的金属间化合物的生长。目前，表面组装焊点的可靠性研究主要 集中在：焊点失效的机制、影响焊点失效的因素、焊点失效的检测、焊点寿命 的预测及新钎料的应用对焊点可靠性的影响等。 1 3 2 无铅钎料的要求 采用表面组装技术形成的电子产品一般具有元器件种类多，元器件在印刷 6 西华大学硕士学位论文 电路板上高密度分布、引脚间距小、焊点微型化等特征。其组装焊点既有力学 性能要求又有电气、物理性能要求。许多焊点的尺寸常常不足l m m 2 ；连接对 象可能是直径为零点几毫米的丝与厚度仅为几十微米的金属镀层：焊点间距也 可能仅有零点几毫米等，并且尺寸仍在不断减小。钎料的基本性能为有：熔点 液相点、润湿性、力学性能、电气性能、成本、环境友好、加工性能、腐蚀性 能、与现有焊接设备和工艺的兼容性等，下面介绍可靠性对无铅钎料的基本性 能要求【8 1 4 。 1 3 2 1 低熔点 从微电子装配工艺的角度来看，熔点可能是钎料合金中最重要的评价指标。 材料的熔点必须低到能避免有机电子组件的热损坏，即合金熔点与s n 一3 7 p b 的共 晶温度1 8 3 接近，大致在1 8 0 - 2 3 0 之间，固一液相变线温差不能太大，二 元共晶合金钎料成分及共晶温度如表1 2 所示。如果无铅焊料的熔化温度过高就 需考虑电子封装工艺中的有机封装材料所承受的温度，一般来说，这类热固树 脂塑料在焊接过程中大约能在2 4 0 左右耐热约9 0 s 。所以选用熔点过高的无铅 焊料会导致这类有机材料的失效，从而影响整个电子器件的可靠性。表1 - 1 为常 用二元合金钎料共晶成分及共晶温度： 表卜1 二元合金钎料共晶成分及共晶温度1 5 】 t a b l e l - 1t h ee u t e c t i ce u t e c t i cc o m p o s i t i o na n d t e m p e r a t u r eo f b i n a r ys o l d e ra l l o y s 西华大学硕士学位论文 1 3 2 2 良好的润湿性 焊接合金的固有润湿能力是一个重要的性能指标，它直接影响到焊接互连 的完整性。润湿是在液态焊料和固态基板表面的交互连接，一般将其定义为衡 量材料( 通常是液体) 在另一材料( 通常是固体) 上扩展的一种性能 1 6 】。它可以通 过测量一定环境条件下固液结合点的接触角来确定( 如图1 2 ) ，且符合 y o u n g d u p r e 公式： 瑰s = ? t s + y g l c o s 0( 1 1 ) 其中陪是固体的表面张力，y l s 是n 液间表面张力，瑰l 是液气间表面张力。 当0 0 9 0 0 时，系统为润湿；而当9 0 0 3 ，蠕变激活能与品格自扩散激活能或位错 管道扩散激活能相近。 ( 2 ) 位错攀移机制：在较高应力和中等温度下，常常是位错攀移机制作为 主控机制。其蠕变特征参数：n = 3 2 0 ，蠕变激活能与晶格自扩散激活能或位错 管道扩散激活能接近】。在蠕变过程中，位错会在热激活作用下通过滑移移出 它们的滑移面。由于原子的运动及空位的平衡浓度随着温度的升高而增加，因 西华大学硕士学位论文 此在高温情况下，扩散控制的蠕变过程变得越来越主要。位错在高温下更容易 攀移，位错的运动也因此而增加。位错攀移机制常常被认为是蠕变过程中的主 要过程，尽管在某些特殊的情况下，其他蠕变过程对总应变的贡献也可能很显 著【4 1 1 。 当给金属施加一个初始应力发生变形后，一系列的位错就会在障碍物处堆 积起来。障碍物可以是晶界、亚晶界、相界，也可以是第二相粒子。位错的运 动被第二相粒子阻碍并发生堆积。在热激活作用下，空位运动显著，借助于空 位的迁移，位错可以攀移到其他新的滑移面继续运动，如图2 4 所示。 o v o c m c ，r p l a n e n e w s l i pp l s h e a 哟 c ) f i g 2 4d i s l o c a t i o nc l i m b i n ga i d e db yt h em i g r a t i n gv a c a n c i e s 图2 4 位错借助空位的迁移而进行的攀移运动3 7 】 在这种情况下，发生的晶粒变形是位错攀移和位错滑移共同作用的结果。 位错攀移确保了可移动位错的有效数目，保证了后续的在新的滑移面上进行的 位错滑移的进行，从而使晶体发生持续的变形。由于这两种位错运动过程受温 度和应力的影响程度不同，因而他们所独立造成的蠕变速率也不一样，最后总 的蠕变速率由二个过程中进行的最慢的控制【4 5 1 。 s c h o e c k 总结位错攀移中的障碍可能为五种，如图2 5 所示，其中h 为位错 需要攀移的高度，a ) 为越过l o m e r - c o t t r e l l 位错；b ) 为邻近滑移面上异号韧型位 错的相销毁：c ) 为通过攀移形成小角晶界或加入已存的小角晶界；d ) 为塞积在 晶界前的位错沿晶界产生的攀移；e ) 为越过弥散质点的攀移。 西华大学硕士学位论文 “) ( e ) f i g 2 - 5s c h e m a t i co f d i s l o c a t i o nc l i m b i n gb a r r i e r 图2 - 5 位错攀移障碍示意副5 9 】 ( 3 ) 低应力蠕变：在低应力高温度下，呈现出低应力蠕变特征。低应力蠕 变包含有扩散蠕变、h a 印e r - d o m 蠕变以及晶界滑移，其中扩散蠕变又包括 n a b a r r o h e r r i n g 蠕变和c o b l e 蠕变。 在非常低的应力下，此时位错运动受到限制，蠕变即通过原子在晶粒内部 及沿着晶界的扩散流动进行，即扩散蠕变。这种蠕变的特征是其应力指数接近 于1 ，而蠕变激活能接近晶格自扩散激活能或晶界扩散激活能。当受到晶格自 扩散控制时，称为n a b a r r o h e r r i n g 蠕变，其应力指数接刀近于1 ，p = 2 ；蠕变 激活能接近晶格自扩散激活能1 4 6 , 4 7 ) ；当受到晶界扩散控制时，称为c o b l e 蠕变 【4 8 1 ，其应力指数刀接近于1 ，p = 3 ；蠕变激活能接近晶界扩散激活能。扩散蠕 变对晶粒尺寸较敏感。当应力足够低时，扩散蠕变将最终取代位错蠕变。 h a r p e 卜d o m 蠕变( 图2 - - 3 未标出) ：该机制在很低的应力下，蠕变温度 非常接近熔点。其应力指数刀= 1 ，激活能等于晶格自扩散激活能。这一点与 n a b a r r o h e r r i n g 蠕变相一致，因而常常被误归为n a b a r r o h e r r i n g 蠕变。但该蠕 变机制所测得的蠕变速率常常比n a b a l l r o h e r r i n g 蠕变高两个数量级，并且 h a r p e r - d o m 蠕变对晶粒尺寸不敏感，因而p r 0 。 ( 4 ) 晶界滑移：晶界滑移是指沿着多晶体晶界施加切应力后，晶界两边晶 粒互相滑移。晶界粘滞性的滑动是很微小的滑动晶界滑移，但在多晶体高温 上1上4上、上广譬 西华大学硕士学位论文 ( 踟5 t m ) 范性变形中占着重要的地位。 在较低应力和高温下，晶粒尺寸细小，晶界滑移明显，控制着蠕变速率。 其蠕变特征参数：n = 2 ，蠕变激活能与晶界扩散激活能相近。当应变速率降低 或者温度升高时，应力应变行为越来越依赖于热激活过程。由于晶界滑移对应 变速率较基体的塑性流动更为敏感，因此在低应变速率下晶界将优先开始滑动 【4 9 】。这种机制并不是单独出现的。在实际的晶体中，晶界并不是完整的平面， 而是呈现处微观的不平整性。晶界处的晶格是紊乱的，不规则的，较晶粒内部 完整的晶格来说自由能较高，因此，晶界的原子比起晶粒内部的原子可以在更 低的激活能下进行运动。这种机制的结果的较大的，虽然对总的变形量贡献人 很小，只有不到1 5 。由于晶界滑移造成的这种晶界的无序性不能够被原子的 扩散过程完全补偿，因此，孔洞及微裂纹会随之出现。微裂纹将聚集和扩展， 最终导致材料的晶间失效。 对于纯金属来说，在中等及高应力条件下，蠕变通常由位错运动控制【3 8 1 。 文献【5 0 】研究了1 3 0 下纯s n 的蠕变行为，其应力指数接近7 ，蠕变激活能与其 晶格自扩散激活能一致，约为9 7 k j 。文献【5 1 , 5 2 】在2 5 - - 9 5 范围内对纯s n 的 研究表明，其应力指数为7 6 ，而蠕变激活能的范围为3 5 k j - 6 2 k j 。与其他金 属一致，对于纯s n 观察到较小的蠕变激活能及略微有些增大的应力指数，这 表明位错攀移会受到一种短路扩散机制，如位错管道扩散机制所控制【3 9 1 。 2 3 蠕变速率方程和蠕变激活能 如果蠕变现象不在绝对零度附近进行，就可以把蠕变作为一个激活过程， 其稳态蠕变速率舌应满足热激活方程。经过专家学者得多年深入研究，现已确 立，在一定温度和应力条件下，纯金属的稳态蠕变速率可以用下式来表示【5 3 】： 毒= 彳矿e x p 僻乃】 ( 2 1 ) 式中，彳为与合金成分及组织有关的材料结构常数；o r 为外加蠕变应力； n 为名义蠕变应力指数( s t r e s se x p o n e n t ) ，通常在3 - - 5 之间：r 为普适气体恒量， ( r = 8 3 1 4j m o l l - k 1 ) ；o 为表观蠕变激活能( a p p a r e n tc r e e pa c t i v a t i o ne n e r g y ) ： 丁为绝对温度。 蠕变激活能是可以通过蠕变试验求出。例如：采用瞬变温度法，当试样在 西华大学硕士学位论文 恒应力下蠕变到某一定值时，很快的将温度由乃改变t 到死。若t 不太大 时，可以认为温度瞬变前后结构并没有明显改变，而蠕变速率的变化全系改变 温度引起的。此时：