（电路与系统专业论文）热载荷下无铅焊点的温度电阻应变特性与应力应变模拟.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 电子器件在服役条件下，由于器件内部功率损耗和外部环境温度的周 期性变化，以及不同材料间的热膨胀失配，在焊点内产生周期性的应力应 变循环，导致焊点高应力应变区的破坏以及整个器件的失效。因此，研究 焊点材料在热载荷下的力学性能及其热循环可靠性至关重要。 本文采用微电阻测量的手段，研究在热载荷条件下s n 3 5 a g 焊点热可 靠性评估的电测方法，并进行有限元仿真。对热载荷下无铅焊点的失效机 制进行综合分析，建立焊点损伤与电阻的简单关系模型，为本文研究奠定 理论基础。利用焊点特性电阻测试系统，对单个无铅焊点分别进行高温蠕 变、热循环疲劳实验，研究并在实验数据的处理过程中发现在热循环条件 下电阻应变和温度存在迟滞回线，并对回线特性进行了讨论，结果表明： 塑性电阻应变是引起迟滞回线的主要原因；稳定期内一个循环的最大塑性 电阻应变量是1 5 8 1 0 。3 ，电阻应变滞后于温度变化1 8 3 l s ；高温回线变化 较低温更明显，二者相差3 6 7 5 1 0 一，反映了高温下焊点内部损伤程度更快， 更剧烈；随着循环次数的增多，回线从不稳定趋向稳定最后趋向不闭合， 并且回线斜率降低。 利用有限元软件a n s y s 模拟仿真了热循环条件下单个焊点模型和多 焊点模型的应力应变特性，结果表明：焊点的最大应力出现在焊点与下基 板的接触面，而最小应力则出现在焊点的中间位置，反映焊点与基板的连 接处是焊点的高应力区，较为脆弱，易出现裂纹；焊点的剪切应力和剪切 应变随着温度循环载荷的加载也呈现出周期性变化，并随着循环次数的增 加有所增大，反映了随着循环次数的增加，焊点内部的损伤在积累，并且 有可逆部分和不可逆部分，其中不可逆部分是导致焊点内部应力不断增大 的原因；在一个循环周期内，高应力产生在热循环的低温阶段，低应力产 生在热循环的高温阶段。在高温和低温的保温阶段有明显的应力松弛，保 温阶段的应力应变曲线相互平行，反映了无铅焊料s n 3 5 a g 的稳态蠕变特 征。 关键词 s n a g 焊点，焊点可靠性，有限元仿真，迟滞回线 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e rr u n n i n gc o n d i t i o n ，t h es o l d e rj o i n t se n d u r es t r e s sa n ds t r a i nc y c l e s b e c a u s eo ft h ec y c l i cv a r i a t i o no fi n n e rp o w e rd i s s i p a t i o na n de n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ep l u st h et h e r m a le x p a n s i o nm i s m a t c ha m o n gd i f f e r e n tm a t e r i a l ， w h i c hr e s u l ti nc r a c k si nh i g hs t r e s sa n ds t r a i ns p o ti ns o l d e rjo i n t sa n d d e s t r o y i n go ft h ew h o l ec o m p o n e n t t h u s ，t h er e s e a r c ho f s o l d e rm a t e r i a l su n d e r t h e r m a ll o a do fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e r m a lc y c l i n gr e l i a b i l i t yi sv e r y i m p o r t a n t t h i sp a p e l i n t r o d u c e sam e a n so fm i c r o r e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t st os t u d y s n 3 5 a gr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n tu n d e rt h e r m a ll o a do fs o l d e rj o i n tt h e r m a lp o w e r m e a s u r e m e n tm e t h o d s a n dp r o c e s sf i l l i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n l e a d f r e es o l d e r i o i n t su n d e rt h e r m a ll o a di sa n a l y s i s e ds y n t h e t i c a l l yf o rf a i l u r em e c h a n i s m s a t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni s l a yb yt h ee s t a b l i s h m e n t o fs o l d e rj o i n t d a m a g e r e l a t i o n sw i t has i m p l em o d e lo fr e s i s t a n c e t h ee x p e r i m e n t so fas i n g l el e a d f r e e s o l d e ru n d e rh i g ht e m p e r a t u r ec r e e pa n dt h e r m a lc y c l ef a t i g u ew e r es t u d i e db y m e a n so fs o l d e rj o i n tc r e e p r e s i s t a n c et e s t i n gs y s t e m i nt h e i n v e s t i g a t i v e p r o c e s so fh e a tr e l i a b i l i t y o fl e a df r e es o l d e rj o i n t ，h y s t e r e s i sl o o p sw e r e d i s c o v e r e db e t w e e nr e s i s t a n c es t r a i na n dt e m p e r a t u r eo fl e a dr i c es o l d e ri o i n t u n d e rt h ec o n d i t i o no fc i r c u l a rl o a da t4 0 12 5 t h ec h a r a c t e r i s t i co f h y s t e r e s i sl o o p sw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e db yt h ew a yo fm e c h a n i c a la n y l y s e t h er e s u l ts h o w st h a tr e s i s t a n c es t r a i ni sr e s u l tf r o mp l a s t i c i t y t h er e s u l ts h o w t h a tt h em a x i m u mp l a s t i cr e s i s t a n c es t r a i ni s0 0 015 8a to n ec y c l ei n s t a b i l i z a t i o np e r i o da n dr e s i s t a n c es t r a i ni sl a t t e rt h a nt e m p e r a t u r el8 31s t h e r e s u l ts h o wt h a tt h ec h a n g eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r eo fl o o p sw a sf a s t e rt h a nt h a t u n d e rl o wt e m p e r a t u r ea n dt h ed i s p a r i t yo fv a r i a t i o nr a n g ei s0 0 0 3 6 7 4 9 t h e r e s u l ts h o w st h a tt h el o o p sc h a n g ef r o mu n s t e a d yt os t e a d ya n df i n a l l yt o u n c l o s e d a n di t ss l o p ew e r et ob e c o m el o w e r t h es t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c si ss i m u l a t e db v 也eu s eo ff i i l i t ee l e m e n t s o f t w a r ea n s y so fas i n g l em o d a la n dm u l t i s o l d e rm o d a lu n d e rt h e r m a lc y c l e l o a d t h er e s u l ts h o wt h a tt h em a x i m u ms t r e s so fs o l d e rj o i n t sa p p e a rt h ec o n t a c t s u r f a c eb e t w e e nt h es o l d e rj o i n ta n dt h ec o n t a c t ，w h i l et h em i n i m u ms t r e s s a p p e a ri nt h em i d d l es p o t t h i sr e s u l ts h o wt h a tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e ns o l d e r j o i n ta n ds u b s t r a t es o l d e ri st h eh i g hs t r e s sa r e a s ，w h i c hi sm o r ef r a g i l e ；s h e a r s t r e s sa n ds h e a rs t r a i no fs o l d e rj o i n tf o l l o wt h et e m p e r a t u r ec y c l i cl o a d i n g ， p r e s e n tt h ec y c l i c a lc h a n g ea n di n c r e a s ew i 也t h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro f r e c y c l i n g t h ep h e n o m e n o ns h o wt h a tt h ed a m a g ei nt h es o l d e rjo i n t s a c c u m u l a t e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro f r e c y c l i n g t h ed a m a g ei sd i v i d e d t or e v e r s i b l ea n di r r e v e r s i b l ep a r t s ，w h i c ht h el a t t e ri st h er e a s o no f t h ei n c r e a s i n g o fi n t e r n a ls t r e s si nt h es o l d e rj o i n t i nac y c l e ，t h eh i g h s t r e s sp r o d u c ei nt h e l o w - t e m p e r a t u r ep h a s eo ft h e r m a lc y c l i n ga n dt h el o w s t r e s sb r i n gi nt h e h i g h t e m p e r a t u r ep h a s e t h es t r e s sr e l a x a t i o na p p e a ra th i g h t e m p e r a t u r ea n d l o w t e m p e r a t u r eo fh e a tp r e s e r v a t i o n t h es t r e s s s t r a i nc u r v e sp a r a l l e lw i t he a c h o t h e r , w h i c hr e f l e c t st h e s n 3 5 a gl e a d f r e es o l d e r sh a v et h es t e a d y - s t a t e c h a r a c t e ro fc r e e p k e yw o r d s ： s n a gs o l d e rj o i n t s ，r e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t s ，f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，h y s t e r e s i sl o o p 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：堕噬 日期：二丘年月丑日 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：丝窒签导师签名 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子设备热技术的研究历史与现状 电子工业的迅速发展，解决电子设备的热学问题的热技术得到迅速发展。世界各电 子工业发达国家都在致力于热技术的研究，目的是通过该技术提高电子产品的可靠性、 寿命等等。国外在六十年代开始电子设备热分析、热设计及热测量方面的研究工作，大 规模开始研究电子产品的热问题是在八十年代中期。虽然国外在电子设备热设计和热测 量方面技术开展较早，如美国早在七十年代就颁布了可靠性热设计手册，但热设计、热 测试的研究成果相对较少；在热分析方面的研究较多，出现了各种商业热分析软件，主 要解决了电子设备温度分布计算的快速性和准确性。 1 1 1 热技术相关研究成果 1 、国外p t o u n s i 等人开发了热仿真工具，能够快速、方便地实现热电仿真。热电 仿真首先遇到的难点就是热和电仿真的链接，解决办法用电仿真器直接进行热计算，通 过虚拟的r c 网络和可控电流源将元件三维热模型所有的信息都传递给电仿真器。 2 、国外散热器逐渐向标准化、系列化，通用化及组合型方面发展。组合式散热器 是由同一种散热片组成的多单元散热器，采用强迫冷却方式，其特点是能充分利用风源。 热管散热器有极高的传热能力，有近导热体之称，适合在失重的情况下工作，广泛应用 于冷却各种半导体器件、大功率微波器件、印制电路板上集成块和机箱机柜。它体积小， 厚度薄，可向微电子技术领域以及超大功率微波器件领域发展。导热薄膜和导热膏也得 到了迅速发展，导热系数高，热阻小，耐压高，阻燃，无毒，有很好的经济前景。 3 、由于电子产品和元器件的多样性，实际的热设计工作难于开展，计算机辅助热 设计方面的研究基本空白，没有通用的软件系统，只是出现了某些专业的设计软件。而 国内整个电子工业的发展落后于国外，电子设备的热设计、热分析、热测试技术的研究 较少，水平较低，尚处于起步阶段。 1 1 2 热技术发展动态分析 国外在热分析方面的技术己趋成熟，能够解决稳态和瞬态不同情况下的元件级、板 级和环境级的热分析。热设计的研究工作也在进行，一些专业热设计软件己经出现，对 电路板的优化布局技术也己趋成熟( 例如，利用蒙特卡罗仿真方法优化电路板布局等) 。 一些新的测量元件和测量方法正大量涌现，例如，铂薄膜热电阻的步进插入效应以及目 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 前欧盟支持的科研小组正在研究高温电阻温度计和辐射测温技术等。 我国在热设计方面的研究起步较晚，起初都是借鉴国外的经验，军方则对电子设备 的热设计给予了高度重视，1 9 9 2 年7 月颁布了国军标g j b z 2 7 9 2 电子设备可靠性热 设计手册，是进行热设计的基本依据；1 9 9 3 年9 月颁布了国军标准b z 3 5 9 3 元器件 降额准则，规定了各种元器件在不同应用情况下应降额的参数及其量值，同时提供了 若干与热设计和降额设计有关的应用指南。随着科学技术的不断进步，电子产品热设计 技术也将不断发展，主要体现在： ( 1 ) 组成电子设备的元器件、组件向超大规模集成电路方向发展，热流密度很高， 用常规的冷却方法无法解决散热问题，促进了新颖、有效的冷却方法在工程上的应用， 例如：喷射液冷、二相流冷却、微型热管传热、模块级核沸腾换热等。 ( 2 ) 热设计软件的开发：热设计分为元件级，电路板级，环境级三个层次，热设计软 件要求是一个典型的专家系统，应具有智能、可以推理，判断、进行模糊思维的能力。 ( 3 ) 为提高电子产品的可靠性，将电子产品热设计、热分析和热测量集成为一个系 统，开发相应的软件，可以分别对元器件级、电路板级、环境级进行相应的热设计、热 分析和热测量。 1 2 无铅焊点热分析研究 1 2 1 无铅焊点热可靠性 自电子工业的初始阶段起，焊料主要是锡和铅两种元素构成，尤其是重量百分比为 6 3 s n 和3 7 p b 的共晶锡铅合金( 共晶熔点1 8 3 1 2 ) 更是为绝大多数电子产品所采用。 从成本、实用性、电学、机械和化学性质等多方面来考量，锡铅合金的性能是十分优异 的。但不断增长的电子垃圾和绝大多数被填埋出来的解决方式已引起全球的密切关注【1 1 。 铅对人体的损害是显而易见的，因此，对于电子产品中含有的铅对环境造成的影响是不 容置疑的，虽然还略存一些不同意见。最近欧盟通过的关于限制在电器电子设备中使 用某些有害成分的指令法令【2 】使全球器件封装、电路板组装和电子产品制造业中采纳 无铅焊接的趋势变得不可阻挡，同时还规定电器电子设备中不能含有汞、镉、聚溴联苯 左盘 守。 全球无铅焊接状况正经历着显著的变革。它正从实验室走向生产车间，正从研发中 心走向产业实现，正从小批试产到大规模量产，正从消费类产品扩大到绝大多数的产品 类型。当全球电子工业在电路板组装中使用无铅焊料时，从目前量产的锡铅焊接平稳过 渡到无铅焊接，兼容问题成为一个关键的问题【3 - 9 1 。过渡到无铅焊接的系统性的整体考 虑如图1 1 所示，包括设计、材料、工艺、质量以及可靠性、设备、操作和商业化等多 方面的考虑，这是无铅焊料在全球成功推广的关键。而无铅焊料的系统连接可靠性则是 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 无铅转换的关键。 图1 - 1 无铅焊接的系统性的整体考虑 一般认为，焊点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 t 引。因此，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 性评价也主要针对这两种情况。在微电子封装组装中，电子产品通常由多层不同性质的 材料组装而成。生产、组装而成的这种封装产品在使用过程中，受热范围变化很大。在 这种受热范围变化大的条件下，不同材料的热膨胀系数不同，这导致了微电子封装组装 产品中的热应力出现。假如设计不当，将会使微电子封装组装产品早期失效，而焊点主 要决定电子元件与电路板间的导电性、机械强度及操作时的散热途径，因此在电子产品 中扮演着相当重要的角色。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 1 0 , 1 1 】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。在众多的无铅钎料中，s n a g 系合金有更好的工 业生产使用性。据i p c 2 0 0 0 年的报告指出，s n a g 合金( 包括添加有第三种元素的合金) 将会成为最有潜力的s n p b 钎料的替代品之一，同时s n a g 合金将成为评价其他无铅钎 料合金的基准【1 2 j 。 事实上，无铅焊料的研究目前尚处于起步阶段，虽然已有多种无铅焊料面世，但还 没有公认的能取代s n p b 焊料的无铅焊料成分。由于s n 3 5 a g 具有较大的拉伸强度、良 好的延展性能和力学性能，因为吸引了较多研究者的关注。本文主要从热分析的角度来 研究无铅焊点的可靠性。 1 2 2 热分析对无铅焊点的影响及研究现状 焊点连接的力学可靠性，包括s n p b 合金和无铅合金，均是由焊料的蠕变和疲劳交 互作用决定的。当焊点经历周期性温度时，系统中不同材料( 器件、焊料和基板) 间的 热膨胀失配造成了焊点的周期性应变( 最显著的是剪切应变) 。焊点中剪切应变的时间 和空间分布是由连接材料的几何和材料参数决定的，包括热膨胀系数的失配、温度变化 范围、器件构型、焊点分布、焊点几何形状以及焊料合金的弹塑性和蠕变本构关系等。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 焊点的力学失效是由于机械过载和疲劳造成的。当焊点内应力超过焊料合金的强 度，将发生过载失效，如机械测试中的拉伸、跌落、静态弯曲和冲击等造成的一次性失 效。相对于过载失效，疲劳失效则发生在焊点内应力远低于合金屈服强度的情况下，焊 点经历了周期性加载，在一特定时间段内经历疲劳的机制。周期性加载是由于周期性的 温度变化或周期性振动所造成。焊点通过裂纹的产生和扩展而失效，裂纹在焊点中扩展 以至完全开路。 关于无铅焊点的可靠性的问题已经广泛展开讨论【1 3 。r 丌，包括其在不同类型器件，如 b o a ，c s p ，p l c c ，q f p ，t s o p ，p t h ，0 2 0 1 ，2 5 1 2 ，以及不同类型的印制电路板焊 盘镀层，如h a s l ，o s p 和e n i g 上的可靠性研究。由于二者之间的显微组织差异，因 此在典型的环境中，s n a g 系合金的抗蠕变能力明显高于含铅合金，s n a g 系焊料连接 可以提供更高的可靠性。但也并非总是如此，美国国家制造科学中心1 9 9 7 的研究结果， 显示了不同无铅合金对比含铅合金的可靠性数据，表明随着温度循环的测试条件和器件 类型的变化而变化。例如，f r 4 印制电路板上的1 2 0 6 陶瓷电阻经历从0 到1 0 0 的温 度循环测试，含铅焊点的可靠性和无铅s n 3 5 a g 焊点差不多；但经历从5 5 到1 2 5 的温度循环测试，含铅焊点的可靠性就远远高于无铅s n 3 5 a g 焊点。最近于2 0 0 2 年开 展的一项研究也表明，低于某一应力值，s n - a g 系合金的稳态蠕变率远低于含铅合金， 但超过这一值，情况则正好相反，这是不同温度循环条件下和不同器件情况下，无铅焊 点和有铅焊点可靠性数据的对比，出现不同的缘故。在大多数典型服役条件下，无铅焊 点较有铅焊点更可靠，但是，对于较大尺寸的器件，器件和基板热膨胀系数严重失配的 情况下以及严酷的温度循环条件下，无铅焊点并不总是和有铅焊点一样可靠。 早在1 9 世纪3 0 年代，t m c d u h a m e l 研究了物体在不均匀加热时的热应力，提出 了计算方程，但研究很不完善。直到2 0 世纪5 0 年代，l e c o f f m 和s s m a n s o n 作了进 一步的工作，指出热疲劳寿命主要取决于非弹性应变范围，并提出了预测疲劳寿命的 c o f f i n m a r o o n 公式，为热疲劳研究奠定了基础。从此，热疲劳研究由不确定状态发展 成定性理解决定性因素的程度，并进一步从定性研究进入了定量研究。目前定量研究热 疲劳寿命的方法主要有：( 1 ) 应变范围热疲劳寿命法；( 2 ) 应变范围划分法；( 3 ) 等效温度 法；( 4 ) 温度幅热循环次数法；( 5 ) 平均最大温度热循环次数法。 热疲劳属于低周疲劳的范畴，因此低周疲劳的许多理论也适用于热疲劳。在高温低 周疲劳中，除温度恒定这一点得到简化之外，它所经受的应力一应变变化与热疲劳相似。 所谓高温低周疲劳通常是指在高温下工作的材料发生的循环数低于1 0 4 1 0 5 次的疲劳破 坏现象。对于某些低熔点金属如铅来说，室温就足以使它产生高温行为。因此通常把温 度高于0 5 o 6t m 是以绝对温标表示的熔点温度) 或温度高于再结晶温度时发生的疲 劳现象叫做高温疲劳。把温度高于室温但低于o 5t m 时发生的疲劳现象叫做中温疲劳。 在中温时，疲劳强度比室温疲劳强度降低不多，蠕变也不起重要作用，这时仍可采用常 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 规的疲劳设计方法，只要考虑温度对材料疲劳极限的影响就行。高于0 5t m 时，疲劳强 度往往会急剧下降，而且往往是疲劳和蠕变同时作用。因而也有人把高温疲劳称为在蠕 变范围内的疲劳，而把中温疲劳称为亚蠕变范围内的疲劳。 就控制方式而言，把高温低周疲劳分为应力控制和应变控制，其中每一类又可以按 时间区分为有保持时间和无保持时间两种。一般来说，在机械结构体的不连续部位和应 力集中部位施加局部热应力或瞬态热应力时，多为应变型循环，所以在低周疲劳的研究 中，应变型占绝大多数。 一方面，电子封装中焊点的失效是由于高温下不同材料热膨胀系数失配引起的低周 疲劳失效问题，因此对焊料合金的低周疲劳行为进行研究对提高焊点的可靠性具有很大 意义。另一方面，热疲劳实验耗时长，需要特殊的热循环设备，并且由于材料在温度的 变化下特性发生改变增加了研究的困难，因此常常通过对焊料等温低周疲劳的研究探讨 其热疲劳规律。通常使用三种试样进行焊料疲劳的研究：真实焊点试样、标准大试样和简 化的焊点剪切试样。其中，针对真实焊点的实验的优点是能够反映电子器件焊点的真实 情况，缺点是实验结果只局限于被测样品，应用范围小：在标准大试样的实验中，一般 是进行简单的拉压和剪切应力应变循环实验，为焊料的疲劳失效提供基础数据，并且能 反映不同测试条件下的疲劳行为，但由于设备复杂，成本高昂，而且实验进行的时间长， 费时费力，不利于理论研究：简化的焊点剪切试样通过焊点连接两块金属片，这样的实 验有助于理解焊点的疲劳过程，能为焊点的基础理论研究提供数据，因此，国际上出现 了大量的焊料低周疲劳研究，包括有铅焊料在各种温度和频率下的疲劳，以及无铅焊料 基础性的低周疲劳研究。如s o l o m o n 研究了6 0 s n 4 0 p b 焊料在5 0 ，3 5 和1 2 5 下的 疲劳行为，以及9 6 5 s n 3 5 a g 焊料在3 5 、1 5 0 。c 下的疲劳行为f 1 8 1 。许多学者研究了锡 铅共晶焊料6 3 s n 3 7 p b 的疲劳行为，但是温度对其疲劳行为的影响考虑不多。 k a n c h a n o m a i 等人研究了6 3 s n 3 7 p b 、9 6 5 s n 3 s a g 、5 s n 9 5 p b 三种焊料在0 i h z 正弦应变 波形、2 0 、总应变控制范围为2 和o 5 条件下的疲劳行为【1 9 也】。同时他还研究了 6 3 s n 3 7 p b 焊料在2 0 、8 5 、1 2 0 下，总应变范围为0 5 和2 控制下的疲劳行为。 为了进一步从温度方面研究共晶焊料s n 3 5 a g 的疲劳行为，有必要在不同的温度加 载条件下对该焊料的疲劳行为进行研究，一方面对研究提供焊点热载荷条件下的疲劳基 础数据：另一方面也为大型的力学加载实验提供了一定的参考价值。 1 3 本文主要研究内容 关于无铅焊点的热分析，大多数研究者都是采用红外分析、超声检查、x - r a y 探测 等方法分析失效和损伤，虽然取得了定的研究成果，但是均未能实时、高效、简捷对 焊点的可靠性进行测试、评估。有鉴于此，本文在总结分析热失效原因的基础上，利用 在线微电阻测量的方法，分别从实验和仿真的角度对无铅焊点的热可靠性进行了一定的 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 研究。 本文的主体框架和主要内容如下： 第一章：介绍现有无铅焊点研究现状，简要地介绍热可靠性研究背景、重要意义及 研究现状。阐述论文中所有实验部分的实验方法和手段，包括实验的制作、实验的过程 及涉及到得数据处理工具。 第二章：对热载荷下无铅焊点的特性进行研究，先从内部热应力应变分析和理论 推导两方面探讨焊点在热载荷下的失效机制，然后对实际实验数据进行分析研究，分别 研究热循环载荷下和高温载荷下无铅焊点的电阻特性和损伤关系。 第三章：对无铅焊点在4 0 c 1 2 5 循环热载荷条件下电阻应变与温度存在滞后效应 进行分析，研究讨论该回线的特性，最后从理论分析的角度验证无铅焊点在热循环加载 条件下的温度回线的存在。 第四章：简单的介绍有限元仿真思想和热应力相关概念，通过有限元仿真软件 a n s y s 模拟仿真单个无铅焊点的有限元模拟，和焊点实际服役环境下的多焊点模型的 有限元模拟，重点分析讨论焊点的应力应变分布图和应力应变环。 第五章：总结本文研究工作的成果和结论，并对进一步的研究工作提出建议。 6 中南大学硕士学位论文 第二章热载荷下无铅焊点的热分析 第二章热载荷下无铅焊点的热分析 2 1 热载荷下无铅焊点的失效机制 在热载荷下，焊点失效从根本上说来源于两个方面。第一，是周期性应力作用导致 损伤累积所致，其失效机制是蠕变与疲劳的交叉作用。第二，由于金属间化合物( 蹦c ) 层的生长所致，其失效机制为材料脆性变化导致的周期应力损伤积累以及k i r k e n d a l l 孔 洞的生长和聚集。 2 1 1 焊点热应力应变分析 焊点内部的热应力是使焊点失效的本质之一，并在应变不协调处产生应力集中，导 致裂纹萌生和扩展。应力越高，应变越大，裂纹萌生和扩展的可能性越大。因此，焊点 的应力分析是研究焊点蠕变疲劳失效不可缺少的，可以通过计算所得的焊点内应力( 应 变) 的分布初步判断裂纹的起裂位置，还可以通过分析了解焊点内应力应变积累的过程， 同时，考虑钎料的蠕变性能，计算钎料的蠕变应变和由应力屈服产生的塑性应变变化规 律。 根据文献【3 4 1 可知，在升温区间，当温度由丁变化到t + a t 时，在焊点与基板接触面 上向外侧剪应力分布为： 五：g 3 ( 0 1 2 - o f i ) ( l + i ) a t4-g3(a2-a1)atx+6g3(2a3-ai-a2)(a3-ot,)at2工(21)1 4 ( 1 + a 3 a t ) h( 1 + a 3 a t ) hh o + 丁) 、7 式中，g 3 表示焊点剪切弹性模量，指焊点热膨胀系数，和分别指上基板与 下基板的热膨胀系数，l 为焊点长度，1 为长度应变量，h 为是焊点厚度，x 指沿外侧移 动量。 在该接触面向内侧剪应力分布： 岛：g 3 ( a 2 - a , ) ( l + ) a t + g 3 ( a 2 - a ，) a t x 一皇塑堕当兰逃型堡石( 2 2 ) 4 ( 1 + a 3 a t ) h( 1 + a 3 a t ) hh ( 1 + c z 3 a t ) 、 式中，x 为沿内侧移动量。 剪应变量为： 岛= 型躲2 h ( 1 蒿产 ( 2 3 )。 + 口，n 、 一般说来，热应力主要集中在c u 基板与金属间化合物交界处。由式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) o - - 7 中南大学硕+ 学位论文第二章热载荷下无铅焊点的热分析 知，焊点与基板接触面上的应力分布有对称中心点向外侧两种剪切力相加，而向内侧则 是相减，因此焊点在内部受到的剪切力小于焊点上下两个接触面上的剪切力。焊点接触 面的剪切力由焊点中线向两侧增大，焊点与基板的热膨胀系数相差越大，所产生的剪切 力就越大，接触面的剪切力在边缘点处最大。 如果对载荷施加的是循环热载荷，傅冰【3 4 1 经过有限元分析得出，在热循环过程中， 焊点的应力呈周期性变化，虽然每个周期应力的变化范围并不一致，但随着周期次数的 增加，其变化的幅值越来越小。在升温过程中，应力迅速下降，升温结束时，节点应力 为最小值。在高温保温阶段，应力松弛节点的应力开始有所回升，但回升的趋势缓慢。 在温度下降阶段，应力迅速上升，降温结束时节点应力达到最大值。同样，由于应力松 弛，在低温保温阶段节点应力有所下降，下降的趋势趋缓。 2 1 2s n a g 焊料与c u 的界面反应 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 c r m e t a l l i cc o m p o u n d s , i m c ) ，i m c 的形成是焊接界面形成冶金结合的标志，但它 又是互联中的脆性部分。通常认为i m c 的过度生长对焊点的可靠性会产生不利的影响， 但是i m c 和焊点可靠性之间的关系极为复杂。因此，了解封装中的界面反应规律和i m c 的形成长大机理，对电子封装材料体系中焊点可靠性的评估，显得非常重要。 实验中用到的基板为c u ，在焊接以及热循环过程中，s n a g 焊料与c u 基板发生反 应，生成i m c 层。s n a g 焊料的熔点大约是2 1 7 2 1 8 ，通常回流焊的峰值温度会达到 2 6 0 ，s n a g 焊料与c u 的液态界面反应主要是c u s n 反应和a g - s n 反应。c u s n 反应 将在焊料c u 界面形成了一层贝壳状的c u 6 s n 5 金属化合物，a g s n 反应在焊料内部形成 了棒状的a g a s n 相。 k n t h 等【3 5 0 刀研究发现c u s n 液态反应过程中c u 6 s n 5 的生长和反应时间存在一个 t 1 乃的关系，不遵循反应控制或扩散控制动力学。k i m 等【3 8 】对c u s n 液相反应中金属间 化合物的形成动力学进行了分析，得出当c u 由c t h s n 5 的贝壳状晶粒间的通道扩散到熔 融的焊料内时，扩散率约为1 0 巧c l t l 2 s ，即c u 能很快到达c u 6 s n 5 的前端与焊料相接触继 续c u s n 反应：同时在贝壳状的晶粒有一个老化( r i p e n i n g ) 长大的过程，即饥也在晶粒 中扩散。综合考虑这两个扩散过程，贝壳状晶粒的生长可用式( 2 - 4 ) 表示： ，3-(2瓣+丝器)dr3nl r t4 x m n ( 2 q j 、 ，。“1 、7 其中：r 是贝壳状瓯s n 5 的平均半径，丫是c u 6 s n s 的表面能，q 是平均原子体积， d r 是在熔融原子的扩散率，c o 是c u 在熔融焊料中的溶解度，n a 是阿伏加德罗常数，l 是与贝壳的间隙和半径相关的常数，p 是c u 的密度，a 是焊料与c u 的接触表面积，p 是反应中c u 的消耗速率，m 是c u 的质量，r t 是热力学常数，n p 是总的贝壳状晶粒 中南大学硕士学位论文 第二章热载荷下无铅焊点的热分析 数。 式( 2 - 4 ) q b ，右边的第项代表晶粒的老化长大，第二项代表界面反应。k i m 等【3 8 】 对c u 6 s n 5 生长动力学的研究发现：晶粒老化长大过程中的c u 通量是基板扩散而参加反 应的c u 的十倍，晶粒老化长大是i m c 长大的主要机制。随着贝壳状晶粒的长大，界面 上晶粒的总数减少，晶粒间的间隙减少，扩散来参加反应的c u 也相应减少，公式中右 侧第二项变大，晶粒长大动力学逐渐不受老化的控制。因此，液态反应中i m c 晶粒长 大过程不同于扩散控制和反应控制过程。 在c u s n 的固态反应中，c u 6 s n s 的形貌由贝壳状转变为平面状，k n t u 等【3 9 】认为： c u 6 s n 5 与液态焊料相接触呈贝壳状时表现稳定，而与固态焊料相接触时平面状则更稳 定。这种稳定是由于在相应的晶粒形貌下，焊料i m c 的界面能和i m c 晶粒间的界面能 处于最低，液态反应时c u s n 的激活能约为0 2 0 3 e v a t o m 3 盯。c u 在2 0 0 c 的熔融共晶 s n p b 焊料中的扩散率为1 0 c m 2 s ，在1 7 0 ( 2 下在s n p b 焊料中的扩散率为1 0 。9 c m 2 s 3 9 1 ， 相差四个数量级，因此固态反应是一个非常慢的动力学过程。 自由能改变的快慢是i m c 形成的主要影响因素，在熔融焊料中c u 能快速扩散，较 快的获得i m c 形成所需的能量，以较高的反应速率形成的贝壳状i m c ，因此在液态反 应中贝壳状的i m c 更易形成。但在液态反应中，i m c 形成所需能量的快速获得，可能 是以贝壳状i m c 具有较高的表面能为代价的。这是因为相同体积的i m c 呈贝壳状形貌 时比平面状具有更大的表面积，因此在固态反应时，由于固体焊料与c u 6 s n 5 间相对较 高的界面能使得贝壳状i m c 转变为平面状【加l 。在固态反应中，i m c 的增长遵循扩散控 制【4 1 - 4 3 ，即 x 酗c = - d j 协5 、 式中，x m c 代表增长的厚度，d ，是扩散系数，t 是时间。 其中扩散系数d ，在扩散过程中并非常数，它与晶体结构、原子尺寸、合金成分、 温度等因素有关。实验结果表明在其它条件一定的情况下，扩散系数d ，与温度t 之间 满足如下关系： d r = d oe x p ( - q r r ) ( 2 - 6 ) 其中扩散常数d o 和扩散激活能q 与温度无关。将上式取对数： 觑d ，= l n d o - q r t( 2 7 ) 利用d ，与t 在半对数坐标系中的线性关系，可通过实验来确定d o 和q 的值，从而 确定扩散系数d ，与温度t 的关系。 e l t i l 等人【5 】的研究认为焊点中金属间化合物的生长是由扩散机制引起的，由钎 料与焊盘金属的互扩散控制。假设金属问化合物的生长可以由时间幂函数和a r r h e n i u s 温度因子描述，方程为： x = x o + a t ”e x p ( - q r 7 3 ( 2 - 8 ) 9 中南大学硕士学位论文 第二章热载荷下无铅焊点的热分析 式中x 为层厚( 咖n ) ，t 为时间；x o 为初始层厚( i i m ) ；n 为幂指数，q 为活化能( j t 0 0 1 ) ； r 为气体常数，等于8 3 1 4 5 j t o o l k ：t 为温度( k ) ，a 为常数( r n m s n ) 。得到钎料焊盘界 面c u - s n 金属间化合物生长方程为： 玉妇一砌= 0 9 9 1 0 - 3 + 0 0 1 6 7 t o 4 9e x p ( - 2 9 5 x1 0 3 r d ( 2 - 9 ) 方程中金属间化合物层厚度的单位是m i f l 。对于每种化合物时间指数n 的值接近于 1 2 ，这表明生长机制是由扩散控制的。也就是说，金属间化合物层的厚度随着老化时间 的平方根线性增加。 2 2 热载荷下无铅焊点的电阻应变分析 焊点的失效过程，从根本上来说就是微小孔洞的形核、生长、汇聚的过程。而从金 属经典理论来看，“电阻”所反映的是自由电子与晶体点阵上的原子实碰撞造成对电子定 向运动的阻碍作用，这也是电阻元件中产生焦耳热的原因，那么随着孔洞的生长汇聚， 焊点电阻势必会发生改变，因此下面从电阻应变计算公式的推导方面来分析焊点在热循 环条件下的服役过程和电阻应变与焊点内部损伤之间的关系。 图2 1 焊点试样的电流方向示意图 若沿焊点厚度方向通电流，如图2 1 所示，则结合焊点的微观结构及电阻定义式， 可得到t 时刻焊点电阻b 的计算公式为： r ：上：= 旦l( 2 1 0 ) s 一墨( r ) f 咒一疋( f ) 、7 其中，p 为无铅焊点的电阻率， 为焊点的厚度，s 为焊点在与电流相互垂直方向 上的横截面积。s = 耽，矿、三分别为焊点的宽、长：邑( ，) 为f 时刻焊点内部缺陷在与 电流相互垂直方向上的等效面积。假设焊点横截面积上的变形很小，即相比裂纹面积母 的变化而言，s 的变化极小，可忽略不计，则t + f 时刻焊点的电阻值如式( 2 1 1 ) 所示： 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章热载荷下无铅焊点的热分析 弓+ f2 吒p h ( 2 1 1 ) 其中p 、h 、疋r ) 分别为t + a t 时刻焊点的电阻率、厚度以及焊点内部缺陷在与电流相 互垂直方向上的等效面积。 将& 时间内电阻的变化量与t 时刻电阻