《现代电子装联工艺基础》课件第6章

第6章材料性能与装联可靠性6.1

机械可靠性6.2

PCB的可靠性6.3元器件引出的可靠性问题6.4电化学可靠性问题机械可靠性主要涉及焊点的连接可靠性，而对连接可靠性具有决定性作用的是焊点的力学性能。焊点既要保证在过载或冲击载荷下不被破坏，又要保证在高温或变动应力作用下其连接性能不被降低，因此可以说机械可靠性的核心问题是焊点的连接强度。焊点体系是由焊料合金、被焊金属和焊接界面层共同组成的，因此焊点的机械可靠性也就受到这三方面材料力学性能及界面连接强度的共同影响。此外，焊缝尺寸、焊接面积等焊点几何因素和载荷的的加载速率或形变速率这两个非材料因素也对焊点性能有所影响。焊点体系的破坏类型如图6.1所示，它可能发生在焊

料合金、界面层内部或某侧界面部位，也可能发生在铜导线与PCB基板的接合面上（图中未画）。图6.1焊点体系破坏类型示意(a）焊料合金破坏;（b）界面层内聚破坏;（c）界面破坏;（d）混合破坏从宏观上看，在对焊点可靠性进行研究时可将焊点体系作为一个整体来对待，如在某些情况下将焊点作为一个复合材料系统进行整体研究，然而将焊点体系各相分开考虑却有助于从材料的破坏机理上理解影响焊点可靠性的因素。材料的力学性能与材料特性、使用温度和载荷特点有关。常见的材料基本力学性能指标表达了材料在常温静载条件下的力学

性能。静载荷与冲击载荷的区别主要在于加载速率不同。加载速率是载荷的施加速率，一般用单位时间内应力的增加量表示。同时加载速率提高，材料的形变速率也相应地提高，因此也常用形变速率表达加载速率。形变速率是材料单位时间内的变形量，一般用应变率表示，它是单位时间内应变的变化量。对金属材料（包括焊料合金），通常把应变率低于

10－4s－1的加载过程作为静载荷处理（有时也扩大到10－4～

10－2/s），超过此范围时材料的力学性能就将发生明显变化，这时需要考虑高加载速率带来的影响（详见本节“韧性”内容）。静载荷是大小、方向不变的载荷（变化不大或变化缓慢时也近似作为静载荷处理），动载荷则是大小或大小和方向均随时间显著变化的载荷，材料在动载荷的作用下也会表现出不同的力学特点（详见“疲劳”内容）。当将焊接界面层作为焊点体系中的一相材料看待时，其微观组织、尺寸、形态和物理的或机械的性能，以及它与母材或焊料合金的界面结合强度等许多数据还有待于研究。即使将体系分开而仅从各相材料的力学性能方面考虑，上述众多的影响因素（变量）也使得若不借助有限元分析等几乎就无法定量分析焊点的变形乃至破坏，因此，实际焊点的可靠性分析和预测是件很复杂的工作。本节通过对工程材料（主要是金属材料）力学性能的一般性分析，可以得到许多有助于理解焊点可靠性的一般性概念，为今后焊点可靠性建模、设计和预测打下基础。6.1.1材料的基本力学性能与可靠性

材料的力学性能也称机械性能，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的性质。材料的基本力学性能一般用常温静载下的单向拉伸试验来获取，这一试验揭示了包括金属材料在内的许多工程材料在常温静载条件下的主要力学行为（如弹性变形、塑性变形和断裂），并用来确定材料的基本力学性能指标（如屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率等）。根据载荷性质，也可采用压缩试验、剪切试验、弯曲试验、扭转试验等专门针对材料在特定受力形式下的力学性能进行评价，从而作为选材和设计的依据。此外，对加载速率较高（如冲击载荷）的场合，一般由冲击试验来评价材料的抗冲击能力。所有这些性能都与载荷作用时间的长短无关，因此也常称为与时间无关的力学性能。

1.基本力学性能

1)拉伸试验曲线与基本力学性能指标

材料的基本力学性能可由常温下的单向静载拉伸试验来揭示，材料的力学行为一般由应力-应变曲线来表示，其基本的性能指标常用弹性模量E、弹性极限σe、屈服强度σs（对没有明显屈服的材料，一般以样件发生0.2％塑性变形时的应力为屈服强度，记做σ0.2）、抗拉强度σb以及表达材料塑性的延伸率δ和断面收缩率ψ等描述。试验条件和所采用的样件及试验过程等可从有关标准中得到。金属材料通常分为塑性材料和脆性材料。图6.2(a)显示了退火态低碳钢的单向静载拉伸试验曲线（图中实线），它可作为塑性金属材料在拉伸状态下典型力学行为的代表。由图可见，随外加载荷的增加，塑性金属的力学行为一般可分为以下几个阶段：

(1）弹性阶段（图中oe段）。

在这一阶段，材料只发生弹性变形，应力与应变保持线性关系，材料行为服从胡克定律（σ＝Eε），卸载后材料变形可完全恢复。图中e点对应的应力σe是材料只发生弹性变形时的最大应力，称为弹性极限。

(2）屈服阶段（图中es段）。

当应力超过弹性极限σe后，材料进入屈服阶段。在这一阶段，主要表现出应力基本维持不变，而应变显著增加的特点。材料屈服是一种明显的塑性变形，卸载后这部分变形不能恢复。通常把屈服阶段内的最低应力称为屈服极限或屈服强度，并用σs表示。

(3）强化阶段（图中sb段）。经屈服阶段之后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形就要增加应力,这种现象称为材料强化。强化阶段的最高点b所对应的应力σb是材料所能承受的最大应力，称为强度极限或抗拉强度。强化阶段试样的材料变形仍属于塑性变形。

(4）“颈缩”阶段（图中bk段）。

经过图中b点之后，试样的横向尺寸开始急剧缩小，材料抵抗变形的能力不断减弱，直至某一时刻材料断裂。图6.2单向静载拉伸试验曲线及样件（a）拉伸试验曲线;（b）延伸率和断面收缩率塑性材料在断裂前有明显的塑性变形，这一特点也称为材料的塑性或延展性。脆性材料的拉伸试验曲线如图6.2(a)中的虚线所示，它在断裂前没有明显的塑性变形。在外加载荷作用下，材料会有一定的弹性变形；当载荷超过某一限度后（称为强度极限，仍记做σb），材料会突然断裂。焊料属于典型的塑性材料，其基本力学性能指标值已在第4章中给出。金属材料有几个重要的力学属性，包括：

(1）刚度。刚度是指材料抵抗弹性变形的能力。刚度越大，材料在相同应力作用下所产生的弹性变形量就越小。表达刚度的指标是材料的弹性模量E（N/m2，Pa）（图中oe段

的斜率），即式中，εe是与σe对应的弹性应变量。刚度或弹性模量越大，材料抵抗弹性变形的能力越强，就越不容易发生弹性变形。刚度不足是材料产生过量弹性变形的主要原因。金属材料的刚度是一个对材料组织（合金化、热处理、冷塑性变形）和温度、加载速率等外部因素都不敏感的性能指标。

(2）弹性。弹性是指材料产生弹性变形的能力。弹性越强，材料越容易发生弹性变形（或在相同应力下产生的弹性变形量越大）。材料的弹性指标通常用其弹性变形时所吸收的弹性能（也称弹性比功）u来表示，它是应力-应变曲线中弹性变形阶段下的面积，即由上式可见，材料的弹性极限σe越高、弹性模量E越小，则弹性能u就越大，材料的弹性就越好。

(3）塑性。塑性是指材料在外力作用下发生塑性变形而不断裂的能力，它评价了材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。表达塑性的指标有延伸率δ和断面收缩率ψ。δ是试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，ψ是试样颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，其表达式分别为(见图6.2(b))：承受静载作用的材料都要求具有一定塑性，以防因偶然过载产生突然断裂(因为塑性具有缓和应力集中的作用)。工程上通常按延伸率的大小将材料分为塑性材料（δ>5％）和脆性材料（δ<5％）两大类。因此按此标准，焊料合金都是典型的塑性材料。

(4）强度。强度是材料抵抗变形和断裂的能力，材料的强度指标主要有屈服强度σs和抗拉强度σb。如前所述，屈服强度是使材料发生屈服时的应力值，表征了材料对微量不均匀塑性变形的抵抗能力。由于工程材料工作时一般都不允许出现塑性变形，因此屈服强度是金属材料最重要的力学性能指标，也是工程上从静强度角度选择材料的基本依据；抗拉强度则是材料在整个拉伸试验中所能承受的最大拉应力，表征了金属材料对最大均匀塑性变形的抗力。由于σb常与实际材料的性能有误差，并且在复杂应力状态下也不能代表材料的实际有用强度，因此σb并不能作为塑性材料的设计参数。但对脆性材料而言，它可作为断裂强度来使用，通常许用应力便是以σb为判据的。常见的焊料合金都是塑性材料，其屈服强度一般都很小，到达强度极限时的变形量大约在3％～10％左右，此后大量的塑性变形主要出现在“颈缩”阶段。陶瓷材料是典型的

脆性材料，高分子聚合物的性能与温度有关。当温度低于玻璃化转变温度Tg时，聚合物呈现出一定的弹性；当温度高于玻璃化转变温度后，材料表现出高弹态（详见“PCB的可靠性”一节）。

2)金属变形机理

金属的弹性变形是一种可逆性变形，它是金属晶格中的原子在应力作用下自其平衡位置产生可逆位移的结果，应力去除后原子可自动回复其平衡位置。金属的弹性变形量很小，通常不超过0.5％～1％，这是由原子的可逆位移量决定的。材料在弹性阶段的力学模型可直接由胡克定律给出，以下是简单拉伸状态下的胡克定律：

σ=Eε

式中，σ为轴向拉应力，ε是轴向拉应变，E是弹性模量。金属的塑性变形主要是晶粒内部原子间产生相互滑移

（晶内滑移）和晶粒之间相互滑移（晶界滑移）和转动的结

果。作用在材料中的应力可以分解为正应力和剪应力。在剪应力作用下，晶粒内部一部分原子会相对另一部分原子发生滑移（滑移是通过原子的位错实现的）。通常滑移是沿原子最密排的晶面（称为滑移面）和方向（称为滑移方向）进行的，滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。多晶体材料微观组织中存在着晶界（晶粒的边界），各晶粒的取向、力学性能和应力状态也不相同，因此在剪应力作用下，只有晶格位向最容易变形的晶粒首先发生晶内滑移，周围尚未发生塑性变形的晶粒只能以弹性变形相适应，同时向有利于变形的位向微量转动，当应力集中达到一定程度后，变形便越过晶界传递到下一（批）晶粒中去。显然，不同晶粒的塑性变形量也不相同。因此金属在塑性变形中，各晶粒变形具有不同时性和不均匀性的特点。只有当少数晶粒变形扩大到大量晶粒变形时，不均匀变形才发展成为均匀的塑性变形（拉伸试验中的屈服现象就是开始宏观塑性变形的标志）。金属组织越不均匀，发生在晶粒内部、不同晶粒之间以及基体金属晶粒与第二相晶粒之间的这种不同时性和不均匀性也就越明显，其结果可能是，宏观塑性变形量还不大时，个别晶粒或晶界的塑性变形量已经达到极限值而产生微裂纹，进而导致材料的早期断裂或使用可靠性下降。材料在塑性阶段的力学模型较为复杂，这里不再详述。大多数金属材料的断裂过程都包含了裂纹的萌生与扩展两个阶段。根据材料断裂前是否有明显的塑性变形，断裂分为韧性断裂（也称延性断裂，断裂前有明显塑性变形）和脆性断裂（脆断，断裂前无明显塑性变形）。对不同的断裂类型，这两个阶段的发生机理与特征并不相同，目前有多种理论揭示这些机理和特征，这里不再详述。由于脆断之前常无先兆，因此防止脆断一直都是工程上的考虑重点。

3)影响屈服强度的因素

如前所述，屈服强度是金属材料最重要的力学性能指标，也是选择材料的基本依据。除金属本性及晶格类型外，影响屈服强度的主要因素还包括以下几个方面：

(1）晶粒大小。由于晶界是原子位错的障碍，减小晶粒尺寸可增加障碍数目，因此也就提高了材料的屈服强度，这一现象称为细晶强化。

(2）溶质元素。由于溶质原子和溶剂原子的直径不同，固溶体中溶质原子周围形成了晶格畸变应力场使原子位错受阻，从而提高了屈服强度，这一现象称为固溶强化。

(3）第二相作用。合金材料一般都是多相组织，除基体相的固溶强化外，第二相对屈服强度也有影响，其效果与其自身结构能否变形有关，据此可将第二相分为可变形和不可变形的两类。第二相强化效果还与其尺寸、形状、数量，

以及第二相与基体相的强度、塑性、两相间的晶体学配合和界面能等因素有关。一般多相合金的塑性变形主要沿基体相进行。

(4）温度、应变速率和应力状态等外部条件。这些条件通常也会影响材料的屈服强度。例如，温度升高一般可使屈服强度降低（但有些晶体结构的金属并不明显），有时也会出现低温脆变；应变速率增大，金属屈服强度和抗拉强度都

会增加；切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度则会降低（这些只是金属在不同条件下的行为表现不同，但不代表材料性质发生了变化）。总之，表示金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、结构和外部因素极为敏感的指标，它受到许多因素的影响。除此之外，改变合金成分和热处理工艺也能使屈服强度发生变化，应用中可根据期望对其加以利用。

2.韧性

韧性是材料抵抗断裂的能力，它评价了材料抵抗裂纹扩展的能力或材料的韧脆程度。韧性好的材料，裂纹扩展困难，因而不易断裂。在一定的外界条件下（温度、介质、应力状态和加载速率等），材料如何断裂取决于其韧性。韧性又与强度和塑性有关，因此韧性常用材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少来表示。

1)冲击韧性与断裂韧性

韧性分为冲击韧性和断裂韧性两种。冲击韧性评价了材料在高速冲击载荷下的韧性；断裂韧性则表达了含裂纹材料抵抗内部裂纹扩展的能力。

表达冲击韧性的指标是冲击韧度ak，它是标准试样在摆锤冲击试验中发生断裂时，单位面积上所吸收（或消耗、需要）的能量：(J/cm2)式中:S为缺口处的截面积，Ak为摆锤冲断样件所做的功。ak越大，材料的冲击韧性越好，受冲击时越不易断裂。

表达断裂韧性的指标是应力场强度因子KI和断裂韧度KIC，这两个指标比较复杂，而且相应的断裂形式在电子装联可靠性领域涉及的不多，因此从略。

2)应用场合

断裂韧性主要用于低应力脆性断裂的分析场合。传统的力学强度理论主要根据材料的屈服强度进行设计，但许多高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件却经常在低于屈服应力时发生低应力脆断。通过对这类断裂机理的研究发现，引起低应力脆断的主要原因是由于材料所含的宏观裂纹（包括冶金的或工艺裂纹和使用裂纹）扩展引起的，由此引出了相应的力学评价要求。因此，解决低应力脆断问题也是断裂力学的发展背景。在电子装联中更常见的是对材料抗冲击载荷的性能要求，对冲击韧性的评价恰好满足了这种需求。如前所述，当应变率大于10－4s－1时就应考虑加载速率对材料性能的影响。随着加载速率的提高，载荷性质转变为冲击载荷。如同降低温度会导致金属变脆一样，高应变率也将使金属的脆性增加，因此需要评价冲击条件下的材料力学性能。

就应力而言，在冲击载荷作用下，载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击能。由于冲击过程时间极短，材料中的应力难以计算，因此材料所受的应力常按冲击能先全部转化成材料的弹性能之后，再按能量守恒法进行计算。就材料性能而言，弹性变形在金属中是以声速进行传播的。冲击试验中，金属的绝对变形速率通常只有5～6m/s，因此冲击引起的弹性变形总能跟得上冲击力的变化，这使得应变率对金属的弹性行为和弹性模量等都没有影响。然而，应变率对金属的塑性变形、断裂行为和相应的力学性能指标值却有很大的影响。在冲击载荷下，金属的塑性变形主要集中在某些局部区域，由此限制了塑性变形的充分发展，导致了屈服强度和抗拉强度升高（屈服强度比抗拉强度提高的更多）。同时，金属的塑性和应变率之间也无单值对应关系，塑性和韧性受各种因素的影响而有不同的表现。一般通过细化晶粒能够提高金属的韧性。冲击试验的一个主要目的是评价或控制金属原材料的冶金质量和热加工质量。通过测量冲击韧度和对试样断口分析可以揭露原材料显微组织特点和各种缺陷等。电子装联的焊接过程本质上也属于冶金或热加工过程，其中包含了焊料合金的冶金反应和固化过程，但可靠的评价需要将焊点作为整体进行，显然这就需要有相应的试验方法才行。对焊料合金冲击性能的评价也只是焊点体系可靠性问题的一个方面。

通常，包括无铅焊料在内的锡基焊料合金对温度和应变率都是很敏感的。因此，在测定或选择焊料性能指标的同时，还应注意这些指标是在什么应变率和温度条件下取得的。

3.材料性能与可靠性

对实际焊点连接性能的评价一般是由试验方法进行的，相关试验可参见行业标准或国外如ASTM（AmericanSocietyforTestingandMaterials）等的规定。通常，焊点可以通过拉伸、压缩或剪切试验测评，试验时对焊点的结构形式有一定的要求，这里就不再详述。图6.3给出了一种测量焊点连接强度的示意图，对于像CSP那样焊点被遮盖的连接，可采用从基板背面进行弯曲的试验方法进行破坏时的强度测评。通常所测量的数据要多一些（有多条引脚的器件可选择对多条引脚拉拔、对片式元件可做多次试验等），最后以统计数据为准。图6.3焊点连接强度测量从材料的力学性能角度看，材料的基本力学性能指标如屈服强度、抗拉强度一直都是机械工程所关注的主要指标，由过载引起的材料失效(如过量的塑性变形乃至断裂)主要发生在应力超过材料的屈服强度乃至强度极限等场合。但对焊点来说，这主要出现在拉拔、剪切、静态弯曲试验中，且失效形式比较单一。显然，强度越高的焊料合金，其连接强度也就越高（至少断裂不易从焊料合金处首先发生）。然而，根据载荷特点区分时，材料的强度包括了拉伸强度、压缩强度、剪切强度、冲击强度和疲劳强度等类型，仅凭拉伸或剪切强度尚不足以全面衡量材料性能。焊点的应力状态进一步增加了问题的复杂性。装联组件在正常使用时，焊点一般不会受到某个恒定的或者持续增加的外载荷作用，因此过载的情况很少发生。施加于焊点的机械载荷更多是来自于外部冲击（如手机不慎跌落到地上）、机械振动（如车载设备）或PCB弯曲等因素。这样,在考虑焊点的机械性能时，其抵抗冲击和振动的能力更为重要：如果是长期的振动载荷，通常要考虑材料的抗疲劳特性（具体内容后面叙述）；若是冲击载荷，则要考虑材料的冲击韧性ak。金属材料的冲击韧性随温度的下降而降低。通常，在一定的外部条件下（应力状态、加载速率、温度等），材料抵抗断裂的能力取决于其韧性，而韧性又与强度和塑性有关,只有强度高、塑性好的材料其韧性才强，这样的材料抵抗冲击破坏的能力也强;也只有在冲击能量不太大的情况下，材料承受多次冲击的能力才取决于强度。总之，弹性模量、屈服强度和强度极限等基本力学性能指标评价了材料的基本性能，在实际进行定性分析时，还需结合焊点受力特点,选择恰当的性能指标作为分析依据。

另外需要指出的是，由应力-应变曲线所反映的材料性能是在样件尺寸相对其微观组织足够大的情况下取得的。随着焊点厚度减小至100μm左右，焊点尺寸已与材料的显微组

织如晶粒尺寸相当，这时，尺寸效应对材料性能的影响已不容忽视。6.1.2蠕变

温度对金属材料的力学性能有着重要影响，因此仅考虑常温短时静载下的机械性能有时是不够的,当材料承受高温较长时间载荷作用时，就必须考虑其高温力学性能。例如，高温短时加载时，材料的塑性通常会增加，但在较长时间的载荷作用下，材料塑性却会显著降低。电子装联中，焊点往往长时间工作在高温状态，因此在评价焊点连接可靠性时，需

要考虑温度和时间这两个因素。值得指出的是，金属学所谓的高温总是相对其熔点Tm而言的。通常将金属材料的使用温度T与其熔点温度Tm之比称为“约比温度”（HomologousTemperature），并记做Th，于是式中,T与Tm均用绝对温度表示。当Th>0.4时就认为材料处于高温状态，需要考虑其高温力学性能。对Sn-37Pb共晶焊料这相当于在－90℃以上工作的情况；对无铅焊料合金，其固相温度通常在215～225℃，相当于在超过－75℃的环境下工作。无铅焊料应用于25～125℃（Th＝0.60～0.85）的环境就相当于喷气发动机中的超级合金（Superalloy）工作于700～900℃的环境下。因此，即使在室温环境使用，焊料合金也被认为是在高温区工作，材料的高温性能是必须考虑的因素（电子装联中的陶瓷材料和处于玻璃化转变温度以下的聚合

物一般还不涉及高温性能）。

本节主要阐述高温长时载荷作用下金属材料的蠕变现象，并以此作为理解材料高温力学性能对焊接可靠性影响的基础。

1.蠕变

1)蠕变现象

高温下，金属力学行为的一个重要特点就是蠕变（CreepDeformation）。蠕变是指在较长时间的恒温、恒定载荷作用下，金属材料缓慢地发生塑性变形的现象。显然，它是一种

与时间相关的材料变形（Time-DependentDeformation）。由蠕变导致的材料断裂称为蠕变断裂。如前所述，当约比温度Th>0.4时就要考虑蠕变焊点的影响了。在恒定拉应力σ作用下，材料会有一个瞬时的弹性变形ε0（如果σ超过了材料在该温度下的屈服强度，ε0中还包括了塑性变形成分），随后进入蠕变过程。金属材料的蠕变过程可用蠕变曲线来表示，典型的蠕变曲线如图6.4(a)所示，它是拉伸试验的结果，由三个阶段组成。

蠕变曲线任一点处的斜率dε/dt表示了该点处的蠕变速率。在蠕变初期阶段，应变速率逐渐降低；至第二阶段，应变率基本保持恒定，变形随载荷的作用时间而线性增加；到达第

三阶段时，应变率又连续增加直到材料断裂，这时总的应变量为εf。第二阶段的蠕变也称为稳态蠕变，其应变率与时间无关，而且也是整个变形过程中的最小应变率，记做（dε/dt）min，一般所说的材料蠕变速率就是指这一阶段的蠕变速率。对材料蠕变行为的研究也主要集中在稳态蠕变阶段。从机理上说，这一阶段代表了材料微观组织响应的一种动平衡状

态（材料内部组织缺陷的产生与湮没速率间的平衡）。同一材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。在恒温下改变应力大小，或在恒定应力下改变温度，其相应的蠕变曲线分别如图6.4(b)、(c)所示。由图可见，当应力较小或温度较低时，金属材料具有明显的稳态蠕变过程，这一阶段的蠕变曲线持续的时间也较长，甚至可能不出现第三阶段；当应力较大或温度较高时，稳态蠕变很短，甚至完全消失，试样材料会在很短的时间内断裂。焊料合金的蠕变试验曲线与一般金属的类似，例如在25℃条件下，以12.5～33.6MPa的压应力对Sn-3.9Ag-0.6Cu合金进行的蠕变试验就展示了与图6.4(b)相类似的曲线特点。图6.4蠕变曲线示意图(a)典型蠕变曲线图；(b)恒温下改变应力的蠕变曲线图；

(c)恒定应力下改变温度的蠕变曲线图材料的蠕变特性可以由试验方法确定（对焊点的蠕变特性目前也有用试验进行测评的）。金属材料的蠕变规律主要受外加载荷与温度的影响。作为一个热激发过程，蠕变率随温度呈指数规律增加，应力对蠕变的影响取决于控制蠕变的材料微观组织的变形机理。目前已有多种数学模型来表达蠕变规律，描述稳态蠕变中的最小应变率(dε/dt)min与外加应力σ和温度T的常见模型包括以下几种：式中：A、

R是常数，n为应力的幂指数，ΔH为主导蠕变的激活能。对纯金属，4<n<6；对合金，2<n<4。当Th>0.4且σ值较小时，上述模型较好地表达了具有初期蠕变的金属稳态蠕变规律；但当σ值较大时，应力指数n则不再保持常数而要随之增加（其具体值与蠕变机理有关）。可知由此模型表达的蠕变规律常用多个方程按应力大小分段给出。

(2）指数规律蠕变，是指在较高的应力状态下，稳态蠕变规律可由以下指数模型给出，其表示式为式中,C是常数。当温度变化范围比较小时，β也看做是常数。

(3）双曲正弦规律蠕变，也称为组合蠕变，其表示式为式中,B、

p均为常数;α一般与温度有关，但对焊料合金来说可看做是常数。

2)金属高温力学性能指标

为了保证金属材料在高温长时载荷作用下不致发生蠕变破坏，要求材料具有一定的抗蠕变能力。与蠕变变形直接相关的指标是材料的蠕变极限。蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的指标，它与常温静载下的材料屈服强度相类似。

蠕变极限有两种表示方法：一种是在规定温度T下，试样在规定时间t内产生的稳态蠕变速率ε′不超过规定值的最大应力，记做σTε′；另一种是在规定温度T和试验时间t内，使试样产生的蠕变总伸长率δ不超过规定值的最大应力，记做σTδ/t。使用时，若蠕变速率大而服役时间短时，取前一种表示法；反之，则取后一种表示方法。衡量材料在高温长时载荷作用下抗蠕变断裂能力的指标为持久强度极限，它是指材料在规定温度T下，达到规定的持续时间t而不发生断裂的最大应力，记做σTt。

金属材料的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。各种机理对蠕变的作用随应力和温度的变化而有所不同。由于原子扩散在高温状态下更容易进行，因此扩散蠕变一般是Th>0.6时的主要蠕变机制。蠕变断裂多为沿晶断裂，这主要是由晶界滑动在晶界上形成了裂纹并逐渐扩展而造成的。因此，要提高蠕变极限，就要控制位错攀移速率；要提高持久强度极限，则必须控制晶界的滑动。或者说，要提高金属材料的高温力学性能，就需要控制晶内和晶界的原子扩散过程。显然，这种扩散过程又取决于金属的成分、冶炼或热处理工艺以及由此决定的材料微观组织，其中，晶粒大小对金属高温性能的影响较大。当使用温度低于等强温度时，细晶粒材料具有较高的强度；当使用温度高于等强温度时，较粗晶粒的材料具有较高的蠕变极限和持久强度极限，但若晶粒太大又会降低高温下的塑性和韧性，因此需要研究和确定合理的晶粒度。

2.蠕变对焊点可靠性的影响

应力或应变长时间作用于焊点时，就可能引起与时间相关的变形过程。在高温状态下，蠕变成为影响焊点连接强度的重要因素。目前已有很多预测材料蠕变寿命的表达式，较常用的为式中：tr是材料因蠕变而断裂的时间，C为常数。如前所述，蠕变有三个阶段，材料变形处于哪个阶段或哪个阶段占主导地位取决于材料的特性和微观组织结构、外加应力和温度等几方面因素。Sn-Ag-Cu焊料在－55℃和125℃、15分钟的试验条件下，蠕变大体处于初期阶段；在超过125℃、数小时的服役环境下，材料将进入稳态蠕变阶段（具体还与应力大小有关）。由此可见，无铅焊料在由服役温度或试验环境所产生的应力水平下，基本处于蠕变的初期阶段。目前还没有数据显示焊点的连接失效仅与材料的蠕变断裂有关。尽管如此，从连接可靠性角度考虑，特别是在建立疲劳计算模型时，理解材料的蠕变行为依然具有重要意义，因为长时间的蠕变依然可能引起材料因过量变形而断裂。图6.4(a)显示的是一种典型的蠕变形式，其初期阶段的曲线规律可表示如下：

ε=Aln(νt)m

式中：A是与温度相关的常数;ν、m也均为常数，0<m≤1。与高温性能相关的另一现象是应力松弛（Relaxation）。应力松弛是指在规定温度和恒定应变（或初始应力）作用下，金属材料中的应力随时间增加而减少的现象，一般可由下式表示：

σt=σ0－Aln(1+Bt)

式中:σ0、

σt分别表示应变刚作用时和作用t时间后的应力值；A、B均为常数。应力松弛可看做是应力不断降低条件下的蠕变过程，因此蠕变与应力松弛是既有联系又有区别的现象，它对焊点可靠性也是有一定影响的。例如在高温下工作并依靠初始弹性变形获得工作应力的机件(如弹簧片)，因应力松弛而使弹性变形不断转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐

降低以致于失效。在电子装联组件服役期的热循环过程中，应力松弛也是引起应力交变、进而影响焊点疲劳寿命的原因（材料达到最高温度对应的热变形量后，因应力松弛出现应力降低，温度波动会引起应力不断变化），因此能够增加应力松弛的过程对可靠性的影响也是需要关注的。6.1.3热疲劳

电子产品很少承受某个恒值或者持续增加的外载荷作用，因此由过载引起的焊点失效很少发生。通常，焊点中的应力、应变都是由温度波动或机械振动引起的，由此也导致应力和

应变发生波动，长期以往就可能引起疲劳失效。疲劳是包括焊点强度在内的整个工程领域最常见的失效模型。

1.疲劳

疲劳失效（FatigueFailure),简称疲劳,是指材料在变动应力或应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂或力学性能变差的现象。可以从以下几方面来理解疲劳失效。

1)变动载荷

变动载荷是引起疲劳的外力，它不是静态的，而是大小反复改变或大小和方向同时改变的载荷，它既可以是规则周期性变动的（也称循环载荷），也可以是不规则随机变动的，于是就在材料中引起了变动应力和应变（见图6.5）。变动应力可以是由反复作用或变动着的机械载荷引

起的（如机械振动），也可以是由温度波动和体系内各材料热膨胀系数不匹配而引起的热应力；变动应力的形式可以是正应力，也可以是剪应力。由于应变也是表达材料力学行为的重要指标，在许多场合应变比应力更容易测量或使用，因此它较常用于疲劳分析当中。图6.5部分变动应力和应变示意图（a）～（d）规则变动应力和应变;（e）、（f）不规则变动应力和应变由于材料在正常工作时大多承受的是循环载荷，这类载荷一般也比较容易模拟，因此对由循环载荷所引起的疲劳研究较多一些。相应的循环应力σ可用图6.6中的几个参数来描述，其中：

σmax为最大应力;σmin为最小应力；

σm＝（σmax＋σmin）/2，为平均应力；

σa＝（σmax－σmin）/2为应力幅;

Δσ＝σmax－σmin为应力范围;

r＝σmin/σmax为应力比；

应力周期和频率分别用T和F来表示，其关系为F＝1/T。当考虑循环应变时，也有上述对应的参数。这些参数完整地表达了循环应力或应变特征，指出了材料疲劳的具体条件。常见的循环应力主要有以下几种类型：

(1)当σm＝0，r＝－1时，相应的应力称为对称交变应力；(2)当应力σm＝σa>0,r＝0时，相应的应力称为脉动应力；

(3)当σm>σa，0<r<1时，相应的应力称为波动应力；

(4)当－1<r<0时，相应的应力称为不对称交变应力。

在实际中遇到的变动应力往往是不规则的，其变动过程也呈无规则变化。图6.6循环应力参数示意图

2)材料的疲劳性能

材料所承受的循环应力σ与在此应力作用下发生断裂时的应力循环次数N的关系曲线称为材料的疲劳曲线,也称S-N曲线。通常把在一定应力条件下，使材料疲劳断裂所需要的应力循环次数称为材料的疲劳寿命，并特别地记做Nf或Nr。疲劳失效的宏观表达就是疲劳曲线，也称疲劳寿命曲线，它表达了材料的疲劳特性，是确定材料疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。典型的疲劳曲线如图6.7(a)所示。图中,纵坐标为循环应力的最大应力σmax或应力幅值σa，横坐标为断裂时应力的循环次数N，常用对数值表示。该图表明，

S-N曲线由高应力段和低应力段两部分组成，高应力段的疲劳寿命小，低应力段的疲劳寿命长，且随应力水平的降低，断裂时的循环次数在增加。常见的疲劳曲线有两种类型：一类是当应力水平降低到某个临界值时，低应力段变成一条水平线，在此曲线及以下的应力水平即使经过无限次循环也不会使材料疲劳(见图6.7(b))；另一类的疲劳曲线上没有明显的水平部分，只是

随着应力的降低，循环次数却不断增加(见图6.7(c))。图6.7疲劳曲线示意图为了表示材料承受循环应力的能力，通常规定在一定的循环次数N0下，使材料不发生疲劳断裂的最大应力称为材料的疲劳极限（也称疲劳强度）。对钢铁材料一般取N0＝107次，有色金属及其合金取N0＝108次。同一材料在不同应力

状态下的疲劳极限是不同的，一般把对称弯曲疲劳极限记做σ－1（这也是手册中通常给出的指标），对称拉压的疲劳极限记做σ－1P，对称扭转（剪切）的疲劳极限记做τ－1。于是，疲劳断裂应力的判断依据为

σ≥σ－1（当材料承受对称循环应力时)

试验表明，金属材料的抗拉强度越大，其疲劳极限也就越高。此外，金属材料在偶然经历短期过载后其疲劳极限或疲劳寿命可能没有变化，也可能有所下降，具体要视过载应力和累积的过载次数而定。通常，只有过载应力高于疲劳极限且作用一定次数后，才能引起疲劳极限的降低，从而造成过载损伤。

3)疲劳特点与形成机理

与静载荷或一次冲击加载引起的失效（如断裂）相比，疲劳具有以下特点：

（1）疲劳是低应力循环失效，并且是具有一定寿命的失效形式。使材料疲劳的应力水平往往低于材料的强度极限，甚至低于屈服强度；材料的寿命随应力大小而变，应力高则寿命短，应力低寿命就长。当应力低于某个临界值后，材料的疲劳寿命可以无限延长。

（2）疲劳是一种潜在的突发性脆性断裂，断裂前没有明显的塑性变形或形变预兆。无论是塑性材料还是脆性材料，引起疲劳的应力水平都很低，其疲劳断裂是在长期的累积损伤过程中，经过裂纹萌生和缓慢扩展到使材料有效承载截面无法承受载荷后才突然发生的。从材料的疲劳断口分析，典型的疲劳断裂包括疲劳源（裂纹萌生的策源地）、疲劳区（裂纹扩展所形成的断口区域）和瞬断区（材料最后瞬时突断所形成的区域）三个不同的断口区域。

（3）疲劳对材料缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷等）十分敏感。由于疲劳是从局部开始的，材料中的缺口、裂纹处的应力集中增加了对材料的损伤作用，组织缺陷降低了材料的局部强度，因此这三者都能加快疲劳破坏的发展进程。

宏观疲劳裂纹经历了微观裂纹的形成、长大和连接的过程，因此，对疲劳机理的研究也主要集中在裂纹萌生和扩展两方面，主要包括：（1）大量研究表明，微观裂纹是由材料组织中的不均匀局部滑移和显微开裂引起的，其主要方式有表面滑移开裂，第二相、夹杂物和基体界面开裂或第二相、夹杂物本身开裂，以及晶界或亚晶界开裂等。

因此，要提高材料抗微观裂纹能力，就要提高材料的滑移抗力（如采用固溶强化、细晶强化），控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布（使之“少、圆、小、匀”）并降低各自的脆性、提高相界面的强度，以及使晶界强化、净化和晶粒细化等，以拟制微观裂纹的萌生，从而提高材料的疲劳强度。（2）微裂纹萌生之后即进入裂纹扩展阶段。根据裂纹扩展方向区分，微裂纹扩展可分为两个阶段。第一阶段从表面个别侵入沟或挤出脊而先形成微裂纹，然后裂纹沿主滑移系方向（最大剪应力方向）以纯剪切的方式向内扩展。这一阶段中，多数微裂纹成为不扩散裂纹，只有少数会扩展2～3个晶粒范围，并且其扩展速率极低，每一应力循环大约只有

0.1μm量级的扩展量。在第一阶段扩展时，由于晶界的不断阻碍，裂纹逐渐转向垂直于拉应力方向扩展而进入第二阶段。在室温和无腐蚀条件下，裂纹扩展是穿晶的。这一阶段每个应力循环的扩展速率大约在10－5～10－2mm/次，所以第二阶段是疲劳裂纹的主要扩展阶段。根据对塑性材料疲劳扩展的研究发现，材料强度越高，裂纹的扩展也就越慢。

4)疲劳分类与焊点疲劳特点

按不同的分类方法，可将疲劳分为如下几类：

（1）按应力状态分，可分为弯曲疲劳、拉压疲劳、扭转疲劳及多种应力状态下的复合疲劳。

（2）按环境和接触情况的不同，可分为热疲劳、高温疲劳、大气疲劳和腐蚀疲劳等。

（3）按疲劳寿命和应力高低的不同分，可分为高周疲劳和低周疲劳两种主要类型，这也是最基本的分类方法。高周疲劳的疲劳寿命Nf通常大于105次，引起高周疲劳的应力水平一般小于材料的屈服强度，因此高周疲劳也称为低应力疲劳，一般常见的疲劳现象多属于高周疲劳，主要由上述S-N曲线表示；低周疲劳的疲劳寿命Nf通常小于105次，引起低周疲劳的应力水平一般接近甚至高于屈服强度，疲劳时往往有塑性变形发生，因此也称为高应力疲劳或高应变疲劳，低周疲劳特性常用塑性应变范围Δε与应力循环次数N的关系曲线（Δε-N图）来表示。电子装联中的焊点因机械振动而产生的疲劳多属于高周疲劳，其载荷的特点通常是幅值低而频率高，应变多处于材料的弹性范围，疲劳断裂多由单一裂纹的萌生与扩展形成；由温度波动而引起的疲劳多属于低周疲劳（详见“热机械疲劳”部分）。低周疲劳还与应力的作用频率有关，但有研究表明，当循环频率超过10－3s-1时（35℃），疲劳对Sn-40Pb合金性能的影响已对频率不太敏感。

2.低周疲劳与热机械疲劳

热机械疲劳属于低周疲劳。如前所述，低周疲劳的疲劳寿命为102～105次，应力水平为σ≥σs，疲劳时有明显的塑性变形。因此，低周疲劳表现出一些与高周疲劳不同的特点。

1)低周疲劳

低周疲劳时，材料局部区域产生宏观塑性变形，循环应力与应变不再保持线性关系，而是形成如图6.8所示的滞后

回线。图6.8低周疲劳应力-应变滞后回线开始加载时，曲线沿OAB方向进行，从B点卸载时则沿BC方向进行；反向加载时曲线沿CD方向进行，卸载时又沿DE方向进行。再次加载时曲线则沿EB方向进行，如此循环一定周次后（通常不超过100次），最终达到图示的稳态滞后回线。图中，Δεt为总应变范围，Δεp为塑性应变范围，Δεe为弹性应变范围，它们满足以下关系：

Δεt=Δεp+Δεe在确定材料的低周疲劳寿命时，一般是控制总应变范围（或塑性应变范围）在给定的Δεt或Δεp下测定疲劳寿命。描述低周疲劳规律的曲线也不用S-N曲线而改用Δεt/2-2Nf或Δεp/2-2Nf曲线，其中Δεt/2、Δεp/2分别是总应变幅和塑性应变幅。低周疲劳寿命主要取决于塑性应变幅，而高周疲劳寿命则取决于应力幅，但两者都是循环塑性变形累积损伤的结果。

金属材料的低周疲劳寿命公式如下：式中:σf′——疲劳强度系数，约等于材料静拉伸时的真实断裂应力，σf′≈σf；

b——疲劳强度指数，一般取b＝－0.05～－0.12；

εf′——疲劳塑性系数，约等于材料静拉伸时的真实断裂应变，εf′≈εf；

c——疲劳塑性指数，一般取c＝－0.5～－0.7；

E——材料弹性模量；

2Nf——总的应力反向次数，一般一次循环应力反向两次。

在如图6.9所示的对数坐标系中，上述等号右边两项是

两条直线，分别代表弹性应变幅-寿命曲线(见线1)和塑性应

变幅-寿命曲线(见线2)，其中表示塑性应变幅-寿命关系的公式为通常称之为Manson-Coffin公式。两条直线叠加就是总应变幅-寿命曲线(见线3)。图6.9中，两条直线的交点对应的寿命称为过渡寿命（2Nf）t，它是低周与高周疲劳的分界。交点左侧即低周疲劳范围，塑性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由其塑性控制；交点右侧是高周疲劳范围，弹性应变幅起主导作用，材料的疲劳寿命由强度决定。因此，在选择材料和确定工艺时，应根据服役时的疲劳类型考虑材料的性能，如属于低周疲劳，应在保持一定强度基础上保证材料具有一定的塑性。一般提高材料强度可使过渡寿命减小，而提高材料塑性和韧性可使过渡寿命增加。图6.9低周疲劳应变-疲劳寿命曲线

2)热应力与热应变

由材料力学可知，如果有外力作用于物体，物体内部便会产生应力。然而在有些条件下如温度波动时，即便没有外力作用也会产生应力。即使不考虑环境温度的影响，元器件工作时其本身也总会发热（单个焊点也具有一定的电阻，当有电流通过时也会发热），从而引起焊点体系温度的升高。此外，电路的通断、工作时间的长短等都会影响温度波动范围。温度波动对焊点体系的影响可由图6.10所示的模型加以

说明。图6.10由温度波动引起的热应力与热变形模型（a）自由热膨胀情况;（b）两杆连接后的热变形;（c）界面中的热应力设A、B是两个矩形截面杆，其原始长度均为l（横截面尺寸相等，图中仅体现了高度h）。又设A、B杆的线膨胀系数分别是α1和α2，且α1>α2。当温度由T0升高到T1，即温升ΔT＝T1－T0时，若两杆界面没有连接在一起（如未钎接、粘接等），则两杆在ΔT作用下分别伸长到l′＝（1＋α1ΔT）l和l″＝（1＋α2ΔT）l(α1ΔT和α2ΔT分别为两杆的膨胀热应变)。此时，两杆的长度差Δl（见图6.10(a)）为

Δl=l′－l″=(α1－α2)lΔT

若两杆界面连接在了一起（连接界面层厚度不计），则界面将出现层间应力以对杆的自由膨胀进行约束，因此在ΔT的作用下，杆的实际长度变为l1（见图6.10(b)，l1的具体值与A、B两杆的几何尺寸和刚度有关)。这种由温度波动而在连接界面产生的应力就称为热应力,杆件的热应变为（l1－l）/l。由此可以看出，热变形始于温度波动，而热应力必须有温度波动和机械约束这样两个条件才能产生。热应力还可能直接产生于材料内部，例如将一根圆棒两端固定后加热，因其热膨胀受到限制而在圆棒体内产生热应力。更广泛地，热应力可能出现在以下几种场合：（1）材料的热膨胀或收缩受到外界约束；

（2）材料中存在温度梯度，或体系内各材料之间存在

温差；

（3）线膨胀系数不同的材料的结合。

界面中的热应力通常包含了剪应力τ和正应力σ。在上述模型中，剪应力限制了杆的自由膨胀，正应力约束了杆的弯曲倾向（见图6.10(c)）。热应力的大小与体系内各材料的热膨胀系数、弹性模量、几何因素以及温度的变化范围等有关，其具体计算可参考复合材料层间应力方面的文献。通常，出现在界面中的剪应力对体系的连接强度起主导作用。对上述模型，热应力主要分布在靠近杆件端部的界面范围内，远离端部的热应力一般很小。由于热应力的作用，界面有可能从端部首先开裂。

该模型可作为对简单连接体系（如焊点，界面层与基材或焊料合金之间，粘结以及合金微观组织中相界面或晶界间）热应力产生机理的一般性解释。按此模型，即使热膨胀系数差别很大（如达到20×10－6/K）、温度变化范围也很大（如达到100℃），体系的热应变也不会很大（约为0.2％）。这一点可近似说明如下：考虑一种简单情况，即B杆热膨胀系数α2无限小、刚度EI又很大时，B杆受热变形和机械变形的影响可忽略不计。于是，A杆的膨胀热应变完全被B杆约束，A杆的实际热应变可由下式给出：

εA=(α1－α2)ΔT

显然，其热应变仅与热膨胀系数差和温差有关。然而，当考虑到实际组件的连接情况后，情况就大不相同了。图6.11显示了两个矩形截面杆被焊料从两端焊接在一起的情况，可作为贴装元件与PCB的焊接模型。A、B两杆的热

膨胀系数分别是α1和α2，且α1>α2，焊点中的钎料厚度为h、间距为L。当温度为T0时体系处于平衡状态，没有热应力和热变形产生（见图6.11(a)）；当温度升高到Tmax后，每侧相对热变形量为（见图6.11(b)）温度从T0降低到Tmin时，每侧相对热变形量为（见图6.11(c)）每侧焊点钎料中的剪应变可根据文献［10］用热变形量/厚度表达，于是,升温与降温后的剪应变分别为：因此，整个温度循环中，剪应变的变化范围Δγ就是将此式与前述剪应变εA＝(α1－α2)ΔT比较发现，L/2h是影响钎料热应变的重要因子。通常,钎料厚度比焊点间距小很多（焊接片式元件h在零点几毫米下），因此L/2h使焊点中的热应变常达到数个百分比。例如，有研究表明，将一个1/4英寸长的陶瓷片式元件（热膨胀系数为6×10－6℃－1）焊接在FR4电路板上（热膨胀系数为15×10－6℃－1），焊点厚度为0.002in.，当温度在－55～150℃之间波动时，焊料中的剪应变γ将达到10％左右。然而，常见金属的弹性范围多在0.2％以内，这使得温度循环很容易产生高应变情况。材料应变包含了弹性变形和塑性变形两种成分，由此产生的热疲劳对装联体系的影响不容忽视(目前对大多数电子服役场合，通过优化工艺设计已能将实际的热应变控制在0.1％～1％范围，变形的主要成分是剪应变)。图6.11由温度波动引起的热应变（a）T0时;(b）Tmax时;（c）Tmin时温度循环引起的变动热应力和热应变与温度的循环规律有关，因此温度循环规律是研究热疲劳的重要依据。对温度循环影响较大的参数是升温速率、降温速率、最大温度值Tmax、

最小温度值Tmin以及相对应的保持时间、循环频率等，如图6.12所示。图6.12温度循环参数

3)热疲劳与热机械疲劳

温度循环引起了循环热应力和热应变，材料在循环热应力或热应变作用下发生的疲劳称为热疲劳（ThermalFatigue）。焊点在温度循环作用下的疲劳就是典型的热疲劳。如果温度循环与机械应力循环相叠加，由此引起的疲劳则称为热机械疲劳（ThermalMechanicalFatigue，TMF）。焊点同时受温度循环与机械振动引起的疲劳就是热机械疲劳。另外,由于焊点在高温状态下还发生蠕变和应力松弛，因此即使没有机械振动，蠕变和应力松弛作用也使焊料合金处于热机械疲劳中。由此可见，电子装联中的焊点实际承受的是热机械疲劳。热疲劳和热机械疲劳破坏也是材料塑性变形累积损伤的结果。当热应力超过材料高温下的弹性极限后，将发生局部塑性变形，经过一定次数的循环后，热应变就能引起疲劳裂纹。

热疲劳和热机械疲劳基本上仍然服从低周应变疲劳规律，前述的Manson-Coffin公式依然可以使用，即在每个循环的塑性应变范围Δεp与断裂时的循环次数Nf（即疲劳寿命）之间存在以下关系：式中:指数B＝0.5～0.7，温度升高时取值较大;C可直接取拉伸试验时的断裂应变值的一半，C＝0.5εf＝0.5ln［1/（1－ψ）］;ψ是断面收缩率。

热疲劳裂纹主要是从应力集中或表面热应变最大区域处开始萌生的。金属材料的抗热疲劳性能与其热传导、比热容等热性能，弹性模量、屈服强度等机械性能以及几何因素等有关。一般提高材料的强度和塑性有助于提高材料的热疲劳和热机械疲劳寿命。6.1.4焊点结构对可靠性的影响

实验表明，焊缝尺寸（决定了焊缝中钎料厚度）较大而焊接面积（由引脚与焊盘的接合面决定）较小时，焊点通常处于平面应力状态。此时，焊料合金容易发生变形，焊点的连接强度大体上由焊料的强度决定。焊缝尺寸小而焊接面积很大时，焊点处于平面应变状态，焊料的变形困难，焊点的连接强度通常会表现出比焊料合金强度稍高的特点。在图5.1和图5.2中已经显示了常见的焊点形式。在电子装联中，焊点的结构形式一般可归纳为以下四种（见图6.13）：对接（Butt）、搭接（SingleOverlap）、双面搭接（DoubleOverlap）和环状插接（RingandPlug），不同的结构其本身也影响焊点的强度。图6.13电子装联中焊点的结构形式（a）对接;（b）搭接;（c）双面搭接;（d）环状插接对接形式的焊点主要用于承受拉（压）应力的场合。这时应力垂直于焊接界面，连接强度主要取决于焊料的拉伸或压缩强度（母材及界面层强度足够时），焊点的拉伸强度与焊缝尺寸关系如图6.14(a)所示，在一定焊缝尺寸下，它要明显高于焊料合金3.5kgf/mm2的拉伸强度（如图中虚线所示）。其余三种焊点更适于承受剪切的场合，环状插接焊点承受的剪应力最大；搭接焊点在剪应力作用下会发生一定的弯曲变形，焊接界面同时出现拉应力作用，因此所表现出来的总体连接强度更高，这一点是双面搭接所不具备的。有试验表明，环状插接焊点的典型剪切强度可达3.7kgf/

mm2，而搭接焊点的连接强度可达4kgf/mm2。铜片搭接

的焊点剪切强度与焊料厚度的关系如图6.14(b)所示。又有资指出，对接焊点一般可承受8kgf/mm2以上的拉应力，其余三种焊点则可承受3kgf/mm2以上的剪应力；对焊点做剥离试验时，通常情况下是PCB上的焊盘剥离，焊点的连接强度往往取决于体系内其它部分的连接强度。对图5.1显示的两种通孔插装焊点，图5.1(a)相当于环状插装焊点，其连接强度主要取决于剪切强度，通常可达3kgf/

mm2以上；图5.1(b)焊点因有大量焊料填充至金属化通孔当中，因此其连接强度增加、电阻降低。从强度角度考虑，引脚与金属化通孔直径间留有0.25mm的间隙为宜，这时元件插装比较容易，焊点强度可达最大值的80％左右。将伸出的引脚折弯也是增强连接强度的重要措施。表面组装元器件的焊点形式主要有搭接（如图5.2(a)、(b)所示，焊点的剪切强度可达3kgf/mm2以上）和对接两种焊点形式（如图5.2(c)所，焊点的拉伸强度至少达到5kgf/mm2）。其中，图5.2(a)所示元件直接与焊盘搭接，因连接的刚性强，相应的焊点也称刚性搭接焊点，图5.2(b)的焊点因翼型引脚结构可以吸拾一定的弹性变形，因此所形成的焊点也称柔性搭接焊点，图5.2(c)所示的焊点称为柔性对接焊点。表6.1比较了几种典型焊点的连接强度。6.1.5界面可靠性

界面层通常由金属化合物构成，它是界面冶金反应的必然结果。随着人们对焊点失效机制的深入研究，目前已经认识到金属化合物层对焊点服役期的可靠性通常都有着负面的影响，其原因在于金属化合物通常有着与焊料合金完全不同的力学性能（而且一般具有较差的力学性能）。由温度循环所产生的热应力主要作用在焊接界面层中，长期的循环热应力可能引起界面层的疲劳。通常情况下，随着界面层厚度的增加，焊点的热疲劳寿命将会降低。焊点的疲劳裂纹经常萌生于焊料合金与界面层的结合面上。界面层组织常见的现象包括以下几种，它们成为影响焊点可靠性的重要因素。

1.出现富铅带

Sn-Pb合金与Cu的焊接界面经高温时效处理后，可以发现在界面金属化合物层靠近焊料一侧形成了一个富Pb带。这个富Pb带较脆，容易成为疲劳裂纹的扩展通路。

2.块状Ag3Sn

Sn-5Ag与Cu的焊接界面中，靠近Cu6Sn5界面层出现了形状较大的块状Ag3Sn颗粒。这种块状颗粒的抗疲劳性能很差，常成为疲劳裂纹的扩展通路。

3.界面层孔洞

超过125℃的长期时效发现，界面层的Cu3Sn相中可能出现孔洞，这样也会降低焊点的强度。例如，通过对Sn-3.5Ag和Sn-36Pb-2Ag焊接Cu基材的两种焊点界面在150℃下进行0、50、250、500和1000小时的时效研究发现,界面层都是双层金属化合物组织（即从Cu侧开始，依次为Cu3Sn、Cu6Sn5和焊料合金）。随着时间的延长，Cu3Sn层中出现了孔洞，各焊点的剪切强度因此而降低。锡铅共晶焊料焊接Cu的焊点在125℃下保持20天的研究也证实了这一现象。

4.界面层的临界厚度

通常存在一个界面层的临界厚度值，于此厚度，界面层具有较高的连接强度，而此临界厚度又与失效模型有关。当金属化合物层的厚度小于此厚度值时，剪切破坏常发生在焊料合金中，而且剪切强度还随Cu6Sn5的增加而增加。当界面层厚度超过此值后，金属化合物层将变脆。需要指出的是，界面层金属化合物的生长主要受焊接工艺的控制（室温、降温速率，峰值温度和工艺时间等）。了解焊料合金的熔化/凝固过程以及由此决定的界面层组织结构和生长规律，对在有限的条件下进行组织结构和可靠性控制是极为有益的。尽管目前有关这方面的系统报道还不多，但是明白了这个原理对今后的工作实践会有所帮助。

6.2

PCB的可靠性

PCB是由一定厚度的铜箔导线（导电条）牢固地附着在绝缘材料板上而构成的电路基板，起着搭载元器件并使之电气互连的作用。PCB是电子装联组件的重要组成部分，对组件的可靠性也起着重要的作用。6.2.1

PCB概述

1.分类与特性

按绝缘基板的基体材料分，PCB基板可分为有机系（树脂系）、无机系（陶瓷、金属系）和复合系三大类。

1)三类基板的主要特性

（1）介电常数：陶瓷系基板的介电常数较高，树脂系基板的较低。介电常数小的基板适于高速器件的装联使用。（2）热导率：陶瓷、金属系基板的热导率较高，树脂系基板的较低。热导率较高的基板更适于大功率元器件的装联使用。

（3）热膨胀系数：陶瓷、金属系基板和Si芯片(陶瓷封装器件)的热膨胀系数相接近，树脂系基板的热膨胀系数较大。若基板与装联组件其余部分的热膨胀系数相差太大（即匹配性

差），在温度波动时易产生热应力。

（4）可加工性和价格方面：树脂系基板因其出现较早，制造技术成熟，应用广泛而具有较大优势。

2)通用PCB基板

目前通用的PCB多属树脂系基板。树脂系基板由高分子合成树脂和增强材料组成的层压板制成。合成树脂（属聚合物）主要作为粘接剂使用，它是构成基板的主要成分，对基板的电性能和热性能等有着重要影响。目前采用的聚合物多为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯和聚苯醚乙烯等一类材料。增强材料一般有纸、玻璃纤维布和复合材料等，主要决定了基板的机械性能。基板的制造工艺可简单地看成是由浸渍过液态粘接剂的纸、布等片状增强材料经层压工艺制成的。从PCB的形式看，主要有以下几种：

(1）单面板：是指仅在PCB的单面覆有铜箔导线的电路基板，多用于单面组装场合。随着电子装联产品复杂性的提高，目前这种基板使用的越来越少。这类基板材料多由酚醛纸、环氧树脂纸制成，基板厚度多为1.6mm（最小为0.8mm）;铜箔厚度一般为35μm（特殊情况下也用

18μm的）。

(2）双面板：是指PCB的两面均覆有铜箔导线，两面导线可通过金属化通/过孔形成电气连通的电路基板。双面板的用途很广，特别是在一般民用电子产品(如计算机、办公设备、通信设备、家电等)中多有应用。常见的双面板材料主要有环氧玻璃布层压板、环氧树脂复合材料、玻璃聚酰亚胺等，在银通孔PCB中也使用酚醛纸和环氧树脂纸基板。双面板的金属化通孔多采用电镀工艺制造，为此，基板材料需要一定的耐镀液性能。薄型双面板的厚度多为0.4～0.8mm（如袖珍电子产品、液晶电视中），最小可以达到0.1mm的厚度；铜箔厚度多为18～35μm，并开始向12～9μm的方向发展。

(3）多层板：是指在基板的中间也布置有金属导线层的PCB板（见图6.15），这是一种高密度组装用的PCB板，以适应电子产品向高性能、多功能、微型化方向发展。多层PCB一般按其导体层数分类，如3层、4层、5层……。目前在笔记本电脑和小型手机中都已使用4～8层PCB。多层板多由玻璃环氧树脂、玻璃聚酰亚胺等材料制作，纸基材料一般不再采用。多层板的厚度基本上与层数成正比，例如，若每层厚度为0.1mm，4～8层的厚度则依次为0.4～0.8mm，但超多层板的厚度可能稍厚一些，例如在有机系基板中，已实用化的50层PCB其厚度约为7.5mm。通常20层以下的PCB板多采用环氧树脂系材料制造。图6.15电镀金属化通孔6层PCB的截面示意图表6.2给出了几种常见PCB基板的主要特点。PCB牌号常按基板类型区分编号。以通用PCB为例，纸基PCB有FR2、FR3等，前者以酚醛树脂作为粘接剂，后者则使用环氧树脂（FR表示具有阻燃特性）。纸基PCB在加热时需严格控制焊接温度，以免温度过高引起PCB起泡现象;环氧玻璃布基板

是最常用的PCB基板，其典型牌号为FR4，约占使用总量的90％以上，它以环氧树脂为粘接剂，玻璃布为增强材料，以起到吸收应力的作用。复合基PCB采用了复合增强材料，是对以上两种类型的改进，包括CEM1和CEM3两个典型品种，CEM1是在FR3基

板的上下两面分别层压一层玻璃纤维布制成，CEM3则是以玻璃毡（无纺布）作内层增强材料，在基板的上下表面各粘合一层玻璃纤维布制成的，算是FR4的一种改进型。有关PCB

各种详细的性能特点可参考其它文献，此处不再赘述。

2.技术指标

评价PCB的主要技术指标包括电气性能和非电气性能两类。电气性能包括工作频率、介电性能、表面电阻、绝缘电阻和耐压强度等。对装联可靠性影响较大的是其非电气性能，它包括剥离强度、翘曲度、抗弯强度和耐浸焊性等。下面主要对非电气性能的各项指标作以简单介绍。

1）剥离强度

剥离强度是指单位宽度铜箔从基板上剥离时所需要的最小剥离力，单位为kgf/cm,主要用来评价铜箔导线与PCB基板的结合强度。由于有时会发生焊点附近的焊盘、导线因受热或

受力的作用而从基板上剥离的情况，因此需要对这项指标作以评价。这项指标主要取决于粘接剂性能、铜箔的表面处理和制造工艺等。常温下，普通PCB上的铜箔剥离强度应在

1.2kgf/cm以上。

2）翘曲度

翘曲度是指单位长度基板上的翘曲值（包括弓曲、扭曲等），是衡量PCB相对平面的平直度的指标。PCB的翘曲度主要取决于基板材料和厚度，目前以环氧酚醛玻璃布基板的质量最好。

同样材料的翘曲度，双面板的比单面板的小，厚板的比薄板的小。在制作较大面积的PCB时通常需要考虑这项指标，因为若翘曲度过大，组件装入产品机壳时，紧固螺钉所产生的压紧力会引起电路板变形，由此导致焊点、铜箔导线等受力而引起机械损伤或断裂。

3）抗弯强度

抗弯强度表达了PCB抵抗弯曲变形的能力，以单位面积所受的力来表示，单位为kg/cm2。这项指标主要取决于基板材料和厚度。同样厚度下，环氧酚醛玻璃布层压板的抗弯强度大约为酚醛纸质基板的30倍左右；而相同材料的基板，厚度越大则抗弯强度越高。对于大面积PCB和同时搭载大型元器件的装联组件来说，该指标很重要，因为过重的元器件可能使PCB变形，从而引起焊点受力。过大的弯曲变形量还可能使PCB上的铜箔导线断裂。

4）耐浸焊性

耐浸焊性是指将PCB浸入一定温度的熔融焊料中并保持规定时间后（约