无铅微焊点热循环可靠性及寿命预测研究

论文摘要

当焊点处于温度循环负载时,容易产生热疲劳,因此焊点的热疲劳问题被提到了研究的前沿。本文通过热循环实验对无铅焊点的可靠性进行研究,分析了焊点在热循环条件下的失效模式和失效机理、介绍了无铅焊料焊点寿命预测的路径并建立了焊点寿命预测模型、通过有限元模拟了焊点在热循环过程应力应变的变化,模拟计算了焊点寿命并与加速寿命实验结果对比。本文研究内容主要包括以下几个方面:(1)焊点界面金属间化合物对焊点可靠性有很大影响。研究发现钎料的拉伸强度随着界面AuSn4金属化合物的逐渐生成产生较大降幅,当(Cu,Au)Sn金属化合物生成时拉伸强度降幅更为明显,研究表明富铜IMC层和AuSn4层间的结合性能是整个界面最脆弱的地方。(2)分析了焊点热循环条件下焊点失效现象及机理。研究发现焊点在热循环中存在两类主要的失效模式:一类是焊点在IMC附近产生裂纹;另一类是焊点出现整体剥离。其中,焊点裂纹常常出现在AuSn4层与该层下的富Cu金属化合物层间,并在其界面扩展传播,最终导致失效。另外,焊点剥离失效由于Au和FeNi原子与钎料结合成金属化合物相继耗尽,而Ta原子的晶格结构难于与其余金属原子结合成金属化合物,在不断的热冲击导致的剪应力,最终导致焊点从该界面处剥离。(3)并运用威布尔分布的数学统计方法计算出了确定的SAC无铅焊点热循环寿命预测数学模型,得出了微焊点在工作条件下的寿命为14年。(4)焊点在热循环条件下应力应变过程有限元分析结果表明:在热循环条件下,焊点钎料内的应力应变响应呈周期性变化,与热循环过程相匹配,焊点内高的等效应力发生在热循环的低温阶段;非弹性应变在总应变中占主导地位,在热循环的高温阶段,几乎等于总应变;非弹性应变在热循环的升降温阶段累积明显,在高低温的恒温阶段累积不明显。(5)通过有限元模拟SAC焊点的热疲劳寿命结果与加速寿命实验所得的焊点热疲劳寿命结果较吻合,表明实验所得寿命预测数学模型能较可靠的运用于对SAC焊点在热循环环境中的寿命预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源背景及研究意义
• 1.2 焊点可靠性的研究现状
• 1.2.1 焊点失效机制的研究
• 1.2.2 热疲劳寿命预测模型
• 1.2.3 焊点内部的应力应变分析
• 1.3 无铅微焊点寿命预测的路径和需解决的问题
• 1.3.1 无铅焊料的性能表征
• 1.3.2 无铅焊料本构关系的建立
• 1.3.3 无铅焊料焊点破坏的数据累积
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 焊点在热循环载荷下的可靠性研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料、方法及设备
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 焊接工艺简介
• 2.2.3 试验方法及设备
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 热循环实验中焊点的金相组织演变
• 2.3.2 热循环条件下焊点失效现象及机理分析
• 2.3.3 不同循环次数下焊点的强度试验研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 无铅微焊点热循环寿命预测
• 3.1 引言
• 3.2 焊点寿命预测数学模型
• 3.2.1 模型来源
• 3.2.2 模型变换及参数确定
• 3.3 加速寿命实验
• 3.4 寿命预测结果分析
• 3.4.1 失效标准确定
• 3.4.2 数据分析方法
• 3.4.3 加速寿命试验结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 无铅微焊点热循环可靠性的模拟研究
• 4.1 焊点可靠性数值模拟相关方法及理论
• 4.1.1 有限元模拟方法简介
• 4.1.2 焊点力学行为本构方程
• 4.1.3 焊点热循环寿命预测方法
• 4.2 模型建立及参数选择
• 4.2.1 结构模型
• 4.2.2 定义材料属性
• 4.2.3 选择单元
• 4.2.4 边界条件和温度加载条件
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 焊点的应力应变分析
• 4.3.2 焊点整体应力应变分析
• 4.3.3 应力应变迟滞环
• 4.4 疲劳寿命的计算
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢