基于线性有限元的焊点形态与热应力关系研究

基于线性有限元的焊点形态与热应力关系研究

0影响焊点可靠性的因素自80年代以来，表面组装技术以其高密度、高可靠性为特点，广泛应用，并迅速发展。这一先进的集成技术已经被广泛使用，并为进一步微型化、轻量化和薄型化提供了广阔的前景。SMT焊点的可靠性是受到普遍关注的课题之一,因为它直接影响到SMT技术是否能在航空、航天等重要产品上扩大应用的关键。SMT焊点的可靠性与焊点的外观几何形态、焊点的内部质量、钎料与母材之间热膨胀系数(CTE)的匹配关系、钎料的力学性能等有关,尽管在此问题上有大量的文献报道,但SMT焊点可靠性问题尚未能得到很好的解决。在实际工作过程中,焊点的失效形式主要是疲劳破坏。当其处于温度循环工作环境时,如太空运行的地球卫星,交替地处于太阳的照射和地球的阴影中,其电子设备中PCB会相应不断地被加热和冷却。如果器件材料和基板材料存在温度膨胀系数的差别,在焊点上必然产生热应力。应力的大小或者作用方向会随着温度的交替变化而变化。在功率循环的情况下也是如此。这一热应力虽不至于导致焊点的屈服破坏,但在长时间的交变应力作用下,焊点将产生疲劳破坏而使设备的工作失效,这就是SMT焊点的可靠性问题。在影响SMT焊点可靠性的因素中,焊点的形态被认为起着很重要的作用。在本文中主要模拟计算了不同形态的SMT焊点接头在受交变热作用时内部的应力集中和应力分布情况,以寻求具有较为理想力学性能的焊点形态,制定SMT焊点外观质量标准,为在实际焊接过程中,对PCB上焊盘尺寸进行合理设计、从接头性能的角度控制焊点质量等提供理论依据。1焊接点形态的确定—焊点应力计算模型图1为典型的片式元件软钎焊接头。由于应力的方向主要是沿着元件的长度,因此可以将模型简化为二维。虽然Sn/Pb钎料具有弹塑性或粘弹性的性质,但在热膨胀系数不同引起的应力和应变数值都比较小的情况下,在一定的精度范围内可以将问题简化为线弹性,采用线性有限元方法计算接头在不同工作条件下的应力分布,可使工作量大大减少。模型中假设:(1)在热循环实验条件下(温度20～120℃交变),钎料为线弹性,内部无缺陷,各向同性;(2)忽略基板上焊盘导体的厚度(与添加的钎料的厚度相比很小),将基板与导体视为一体。在焊点形态的确定上,采用了文献的结果,其中假设:(1)元件金属化端与焊盘无氧化物,并与钎料理想润湿,忽略焊接时温度场变化对接头成形的影响;(2)由于钎料量很少,忽略重力对焊点形态的影响,只考虑表面张力的作用。在计算和分析过程中,采用的应力判据为第四强度理论。这一强度理论认为,不论应力状态如何,最大形状改变能,即形变能是促使材料达到极限状态的因素。也就是说,不论材料处于复杂应力状态还是简单应力状态,只要形变能达到材料在轴向拉伸发生塑性屈服时的极限形变能,材料即发生塑性屈服破坏。由于这一强度理论考虑了第二主应力σ2对材料塑性屈服的影响,在二向应力状态下与实际情况较为接近,所以,在求解主应力的过程中本文采用的计算公式为:σ=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]1/2强度条件为σ≤[σ][σ]—材料的许用应力对于焊点形态的几何参数,取1<L时,θ2=0°(焊盘镀Sn或SnPb合金时满足此条件),h<H+d时,θ1=0°,且θ3=20°,θ4=45°。对于片式封装的1206元件,H=0.5mm,L=1.1mm。2元方法的计算分析利用所建立的模型,通过二维线弹性有限元方法计算分析了片式元件不同形态焊点的热应力分布。计算程序采用了通过Internet得到的共享软件ELCUT3.1。2.1材料的物理参数计算中所采用的物理参数如表1所示。2.2边境条件(1)pc外壳垂直方向无应变,σY=0;(2)片式元件a面垂直方向无应变σY=0,元件中心线O-O′σX=0,σY=0(如图1所示);(3)切割材料自由表面。2.3接头疲劳寿命的计算选用了五种形态的焊点进行计算,焊点形态参数如表2所示。分析计算的结果发现钎焊接头在热交变作用下,钎焊接合部位出现应力集中,主要分布在元件底部拐角处(Ⅲ)、焊跟的顶部(Ⅳ)和底部(Ⅴ)及焊趾的顶部(Ⅰ)和底部(Ⅱ),如图2所示。其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ区的主应力远大于Ⅱ区的主应力,因此,主要以Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ区的应力分布情况作为接头疲劳寿命的计算判据。其中:H=0.50mm,L=1.1mm,d=0.2mm。2.3.1应力集中情况钎料量不同时,接头形状不同。图3中横坐标A/H2代表焊点的形态参数,其中A为焊点截面面积,纵坐标代表焊点各应力集中区的主应力值。由图3可见,随着焊点形态参数A/H2的增大,即焊点钎料量的增多,Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ区的主应力增大;特别当钎料量很多,焊点横截面为凸形时,Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ区有极严重的应力集中情况,其主应力值高于钎料量较少时形成的凹形焊点情况。对于焊趾底部(Ⅱ),随着焊点形态参数A/H2的变化,主应力值变化不大,并且略有下降。由于陶瓷基片与锡铅料线膨胀系数的匹配性同树脂基板与锡铅钎料线膨胀系数的匹配性相比较差,所以,在热交变的作用下,由于材料的膨胀和收缩,便在Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四个区产生了较大的应力,应力集中情况也较为严重,而且在界面处出现主应力的最大值,同时在焊点接头边缘线的交界处应力集中情况最为严重。尽管各应力集中区的最大应力值均小于钎料的抗拉强度,但在实际过程中,在元件—钎料、基板—钎料的界面处最易形成夹杂、气孔、金属间化合物等缺陷。其中,界面区的金属成份与钎料是不一样的,钎焊过程中钎料与界面区的金属发生反应,产生不同于钎料合金的金属间化合物,而且金属间化合物一般较脆,与钎料的力学性质绝然不同。因此,元件—钎料,基板—钎料的界面处是SMT焊点接头的最薄弱环节,另外,钎料本身也总存在一些微观缺陷(如位错、空穴、细微裂纹等)。这些缺陷都是潜在的裂纹源,当材料内部存在的有微裂纹源时,在低应力的作用下,便可发生裂纹的萌生,扩展以至断裂。由于SMT焊点几乎不承受外加载荷,焊点所发生的破坏基本上都是低应力情况下的失效。另外,由图中可见,凸形焊点的应力情况较差。这主要是由于焊点接头处的钎料量较多,接头刚性较大,使得焊点变形困难,内应力不易释放所致。同时凸形焊点接头处的钎料量较多,在焊点内部,特别是材料的界面处增加了空洞出现的几率,所以,表面组装中凸形焊点是不合理的。对于凹形焊点,随焊点接头处钎料量的减少,横截面积减小,焊点内的应力集中状况有所改善。但是当钎料在元件上润湿高度低于元件厚度的1/2时,尽管其应力集中情况改善,但由于其截面积减小,接头的机械承载能力将下降。另外,由于其钎料量太少,在实际焊接过程中难以控制钎焊质量。所以,在实际生产中,钎料量也不宜太少。综上所述,SMT焊点接头应力集中主要发生在元件与钎料的界面附近区域,材料间的线膨胀系数匹配性越差,应力集中情况越明显,内应力值也越大。2.3.2接头间隙的高度影响在机械结构钎焊接头中,具有较大的搭接面积,间隙的影响主要通过钎料被合金化的程度而起作用,而在片式元件软钎焊接头,由于主要是附着钎焊的形式,因此可以认为元件与焊盘之间的高度间隙是通过影响接头形态而对接头性能起作用。但在实际上对SMT接头性能的影响如何,未见有报道。本文计算和比较了不同高度间隙对接头应力集中情况的影响,计算中所采用的焊点形态为h=1,即钎料在元件上的上升高度等于钎料在焊盘上的铺展长度。图4是计算结果,其中横坐标代表元件与基板高度间隙值d,纵坐标代表最大主力值。由图4可见,接头间隙高度值d对SMT焊点接头应力集中情况是有一定影响的。当高度间隙值d发生变化时,焊点内部应力集中区的分布情况没有发生明显变化,但是随着d值由小到大增加,由图中可以看到,存在着一个应力条件比较好的d值区间。在这个区间外,不论d值增大或减小,应力集中区的主应力值均有所提高。另外,间隙高度的减小,会造成应力集中区Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ连成一片,成为接头脆弱区。所以高度间隙不易过小。对于片式阻容元件钎焊接头,可以认为d取0.1～0.2mm较好。3接头形