无铅焊点蠕变电阻测试系统的研制

1、无铅焊点蠕变电阻测试系统的研制2008年第27卷第9期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnoh,gies)89无铅焊点蠕变电阻测试系统的研制蒋礼,向可.,杨科灵,周孑民(1.中南大学物理科学与技术学院,湖南长沙410083;2.中南大学能源与动力工程学院,湖南长沙410083)摘要:以Sn-3.5Ag焊料制作的截面积1mm.的单个焊点试样为测试对象,基于电阻应变与裂纹生长等效模型,利用在线四探针法电阻测量技术,研制了焊点蠕变电阻测试系统.系统由测试仪,测试装置和上位机软件creep组成,实现微电阻,拉力,温度测量和测试数据的实时存储,实时应变曲线的绘制.测

2、试结果表明:系统具有较高的稳定性,电阻测量最大相对误差为0.27%.在20-29MPa应力范围下,Sn-3.5Ag焊点试样的电阻应变一时间测试曲线清晰地展示了剪切蠕变行为的第,阶段,为观测无铅焊点剪切蠕变特性提供了一种高效,简捷的可选手段.关键词:无铅焊点;电阻应变;测试系统中图分类号:TP216.1文献标识码:A文章编号:1000-9787(2008)09-0089-04Developmentofcreepresistancetestsystemforlead.freesolderjointsJIANGLi,XIANGKe,YANGKeling,ZHOUJie.min(1.SchoolofP

3、hysicsScienceandTechnology,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Usingsinglecreepspecimenswitha1mmcrosssectionalarea,whicharedevelopedandfabricatedwithleadfreesolder(Sn-3.5Ag),asthetestobjects,acreepresist

4、ancetestsystembasedontheequivalentmodeofresistancestrainandcrackdevelopingisdesignedtotesttheresistancestrainandobservetheshearcreepqualityofsolderjoints,withinsitumicroelectronicresistancemeasurementusingfourprobetechniques.Thistestsystemiscomposedoftestinstrument,testdeviceandsoftwarecreep,anditis

5、abletomeasuresmallresistance,load,temperatureandstoreexperimentdataanddepictstraincuiveinrealtime.Theexperimentalresultsshowthatthissystemhascomparativelyhighstabilityandthelargestmeasuringerrorofresistanceis0.27%.Underashear.stressof2029MPa,theresistancestraintimetestcurveforSn-3.5Agsolderjointssho

6、wstheandthestageofshearcreepclearly,andtheresultsuppliesanefficient,convenientwayforobservingtheshearcreepqualityofleadfreesolderjoints.Keywords:leadfreesolderjoints;resistancestrain;testsystem0引言当前关于无铅焊料的蠕变特性研究逐渐成为热点,吸引了众多研究者,但大多利用光学,在线SEM的方法.如,McDougallJ采用光学手段捕捉试样表面特定划痕的形变图像,利用AdobePhotoshop对这些图像进

7、行预处理,再借助图像数据数字化软件Datathicf提取特定划痕上坐标点的变化,由此测量焊点的蠕应变分布.LauKJ利用在线SEM方法研究焊点的蠕变失效,其基本过程为:在剪切蠕变试验过程中,捕捉焊点的SEM显微结构图,并记录载收稿日期:2008-01-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(50376076)荷的位移;同时,根据铜基板表面的激光栅格显微图像及其有限元分析结果,测量焊点的应变.上述光学,在线SEM的方法均未能实时,高效,简捷地对焊点的蠕变特性进行测试,评估.此外,许多研究者从微观角度对焊点的蠕变特性进行研究,但采用在线测量电阻应变来研究蠕变特性的方法尚未有报道,国内的吴丰顺等人.

8、虽曾采用四探针电阻测量法研究无铅互连凸点的电迁移失效,却并未涉及蠕变特性.然而,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.为此,研传感器与微系统第27卷究组在无铅焊点可靠性的研究过程中,基于Griffith断裂理论模型-"建立起一个电阻应变与裂纹生长等效模型,并通过试验验证了电阻应变与机械蠕应变之问的定量关系.本文以电阻应变与裂纹生长等效模型为基础,利用在线四探针法微电阻测量技术,研制了无铅焊点蠕变电阻测试系统,以测试焊点的电阻应变来观测剪切蠕变特性.1测试原理1.1电阻应变与裂纹生长等效模型设焊点中心有一宽度为2n的等效裂纹,焊点内部等效裂纹不断生

9、长的同时,其电阻值随之改变.根据电阻应变与裂纹生长等效模型,可得出焊点在剪切应力的作用下的电阻应变与裂纹宽度之间的关系如式(1)所示=+WL业f(a)+WdLRhWL-f(WL-f(,(1)D''.)'式中p为Sn-3.5Ag焊料的电阻率;S为焊点在与电流相互垂直方向上的等效横截面积,S:WL,L分别为焊点的宽和高厂(n)为等效裂纹面积.如试验过程中温度恒定不变,则焊料Sn-3.5Ag的电阻率P恒定不变,电阻应变主要由焊点厚度改变和裂纹生长决定.根据剪切蠕变经典理论和实际观测结果,焊点厚度改变作用因素远小于因裂纹生长作用矧素,即.根据剪切变形中的几何关系,有c1,J丽,

10、则dL亦可忽略不汁.因此,电阻应变与裂纹宽度之间的关系可用式(2)表示:.),Aa/.).(2)假定焊点内裂纹生长与时间相关,则焊点等效裂纹宽度可看作时问的函数,有n=,其中,叮由焊点初始状态,材料特性和裂纹扩展特性决定.由此式(2)呵变为:.(3)百''式(3)表明焊点蠕变的电阻应变随时间变化,变化曲线如图1所示.其中,W=,J=1IBm,7/=1×10m/s,At=1s:图1电阻应变与时间变化关系Fig1Electronic-resistancestrainvariedwithtime1.2四探针法测微电阻无铅焊点(Sn-3.5Ag)的电阻通常小于1rail,为了

11、精确测量并消除接触电阻的影响,本文采用四探针法测量微电阻.四探针法测量的原理如图2所示,图中,尺,R,R.,R分别代表探针1,2,3,4与试样的接触电阻,尺为待测电阻.由于电压表具有很高的输出阻抗,接触电阻尺,中通过的电流近似为0,从而保证了测量精度.lI鱼一Il图2四探针法测电阻Fig2Measurementofelectronic-resistancewithfour-probes2测试系统测试系统由测试仪,测试装置和上位机软件creep组成.如图3所示,将试样固定在测试装置的夹具上,根据载荷质量,试样焊点面积等参数计算出试样所承受的载荷.蠕变试验过程中,载荷始终保持不变.阻拉力测试探针微

12、电阻测试探针测试探针图3测试系统总体结构原理Fig3Principlediagramoftestsystem当给试样施加竖直向下的剪切应力后,在某一温度下,随着时问的推移,试样会发生剪切蠕变.蠕变过程中,通过徽电阻测试探针,滤波放大电路及16位A/D转换器采集焊点试样的微电阻值;拉力传感器将试样所受拉力转换为电压信号,经由焊点测试仪器内部的滤波放大电路,l6位As/D转换器处理,将拉力值转化为数字化的剪切应力;温度传感器将温度转换为电压信号,经过滤波放大电路后,由8侮A/D转换器转换成数字量.焊点测试仪器内部微处理器将上述3个物理量的数字量,以特定数据帧的形式,经由通信接口发送到计算机.计算机

13、提取相关数据,完成曲线绘图数据存取,打印等工作.2.1测试仪的硬件实现系统的测试仪以高性价比的MCS-51系列8位微处理器AT89S52为核心.硬件组成结构如图4所示,根据功能不同,可划分为微电阻测量,拉力测量,温度测量,液晶显示和串口通信等几大功能模块.称f1ll/一颂蓄测一=堂一兰三一第9期蒋礼,等:无铅焊点蠕变电阻测试系统的研制数字可编程增益精密仪表放大器焊点试样程控精密叵流源lILCD显示器外部数据,地址总线图例:+.数据,信号,控制流'_串行移位<:二:>并行总线访问一恒;赢源反溃电压图4测试仪的硬件结构Fig4Hardwarestructureo

14、ftestinstrument1)微电阻测量:微电阻测量由精密程控恒流源联合三级放大电路实现.恒流源采用大功率运算放大器OPA548,可稳定输出最大为10A的电流.三级放大电路包括新型精密仪表放大器LTC6915和折波自稳零运算放大器,最大可将电压值不失真放大40960倍,非常适合微小电压放大.2)拉力和温度测量:拉力测量采用1rJL_1s型拉力传感器,可测量最大为500N的拉力.温度测量采用Pt100铂电阻,测量范围为0255,测量精度为l.3)液晶显示和串口通信:液晶显示采用16×2字符液晶显示模块SMC1602,串口通信则使用MAX232实现UART异步串行通信功能.2.2测试

15、仪的软件实现测试仪软件的设计目标是,标定拉力零值和5N定值及放大器零值,选择试验模式,监控恒流源,采集数据并以每1O秒1帧(14个字节)的速度将数据传给上位机.图5给出测试仪的程序设计流程.程序源代码由MCS-51汇编和C语言联合编写.图5测试仪程序流程图Fig5Procedureflawchartoftestinstrument9I2.3基于Delphi的上位机软件creep系统以BorlandDelphi7.0为开发平台,利用串口通信控件,数据库组件,图表控件等,实现测试系统的上位机软件creep.软件creep的设计目标是实时接收与处理来自测试仪所采集的试样焊点微电阻,实时拉力,环境温度

16、等数据,具备记录检测时间,试样自动编号,即时显示"电阻一时间","电阻应变一时间","温度一时间"曲线图等基本功能,并能存储,查询试验记录.除此之外,creep的界面必须友好,操作简洁明了,以方便用户使用.图6给出了软件creep的基本结构.软件系统系统配置Il教据库操作ll串行通信妻竺苎皇!_IL曼户_图6软件creep的基本结构图Fig6Structurediagramofsoftwarecreep3测试结果3.1微电阻测试试样选用0.01级BZ3直流标准电阻(0.001n)对系统电阻测量精度进行检测,测量结果如表1所示.町见数据

17、的稳定性较高.表1BZ3标准电阻(0.001n)的测量数据Tab1DatameasuredbyusingBZ3standardresistance(0.0011)根据表1计算得到电阻应变的最大绝对误差为2.2n,最大相对误差为0.27%.3.2蠕变与电阻应变测试采用Sn-3.5Ag焊料制作多个焊点试样(试样尺寸见图7),在2029MPa的剪切应力下进行蠕变测试.结果显示:厚度为0.1一O.2Him的焊点试样电阻变化范围为8O传感器与微系统第27卷150n,与吴丰顺等人"的测试结果吻合.(a)正面(a)elevation(b)侧面O.22mm(c)局部放大i维罔(b)sideeleva

18、tion(c)3Ddiagramamplifiedpartially图7焊点试样示意图Fig7Schematicdigramofspecimen选取焊点试样1,2为代表.图8和图9分别给出了其在24MPa的剪切应力下的电阻应变一时间曲线图.可以看出:曲线变化趋势与图l和经典的蠕变曲线趋势类似,清晰地展示了剪切蠕变行为的第,阶段.O.20O.150.100.05005001000l50020002500时间/min图8试样l电阻应变曲线Fig8Resistancestraincurveofspecimen10.0350.0300.0250.0200.015O.0100.005O-0.0050l0

19、002000300040005000时间/min图9试样2电阻应变曲线Fig9Resistancestraincurveofspecimen24结论1)本文开发的无铅焊点蠕变电阻测试系统稳定,可靠,电阻测量结果与其他研究工作者得出的结果吻合.2)采用Sn-3.5Ag焊点进行剪切蠕变试验,测试曲线清晰地展示了与文献资料相类似的焊点蠕变,裂纹生长直至完全断裂的过程.3)系统具备良好的可扩展性,为测试系统增加一些辅助模块,并适当地修改理论模型和上位机软件,即可扩展测试内容.参考文献:1McDougallJ,ChoiS,BielerTR,eta1.Quantificationofcreepstrain

20、distributioninsmallcreptlead?freein?situcompositeandnoncompositesolderjointsJ.MaterialsScienceandEnginee-ringA,2000(285):2534.2LauKJ,TangCY,ChowCL.eta1.Microscopicexperimentalin-vestigation0UshearfailureofsolderjointsJ.InternationalJour-nalofFracture,2004(130):617-634.3ZhaoJie,MiyashitaY,MutohY.Frat

21、iguecrackgrowthbehaviorof96.5Sn-3.5AgleadfreesolderJ.ntemationalJournalofFa.tigue,2001(23):723-731.4ZhaoJie,MutohY,MiyashitaY,eta1.Fatiguecrackgrowthbe.haviorofSn?PbandSn-basedleadfreesoldersJ.EngineeringFractureMechanics,2003(70):2187-2197.5ChenSC,LinYC,ChengCH.ThenumericalanalysisofstrainbehavioratthesolderjointandinterfaceinaflipchippackageJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006(171):125-131.6LinCK,TengHY.CreeppropertiesofSn-3.5Ag-0.5CuleadfreesolderundersteploadingJ.JMaterSci:MaterElectron,2006(17):577-586.7KerrM,ChawlaN.Creepdeformationbehaviorof