SnAgCu基无铅钎焊接头在跌落和冲击条件下的可靠性评价研究

论文摘要

电子产品的小型化、高集成性和外观设计成为目前电子行业追求的主要方向。小型化和便携性的发展思路必然会带来许多新的问题和挑战,其中电子产品在运输和使用过程中潜在的随机振动和跌落冲击可能性大大提高,这对电子产品提出了较高的要求。而过度重视外观设计也会导致产品的可靠性设计被忽略。电子封装结构中,钎料焊点一直是较为薄弱的环节,经受着电、热和力的综合作用。焊点尺寸的减小,对产品在高应变速率环境下（10-102/s）的可靠性提出了新的挑战。近年以来,随着全球无铅化进程的不断深化,以锡基为主的无铅钎料逐步替代了锡铅钎料,SnAgCu基钎料也被认为是良好的替代合金系。但使用过程中发现,接头在高应变速率下普遍存在着脆性断裂的现象,这为无铅钎料的普及设置了障碍。目前板级跌落试验标准（JESD22-B111）是研究接头冲击性能的基本方法,而大量试验结果发现,该标准在应用过程中存在着较多的问题,仅适用于产品出厂检测,并不适合实验室进行基础研究。因此,从钎焊材料及接头的研究角度来说,就需要找到一类影响因素少、重复效果好、操作方便和成本低廉的测试方法,来评价钎焊接头的冲击性能。基于以上目的,本研究首先从板级跌落标准入手,根据标准中要求的几何尺寸及试验条件,结合标准板级跌落的试验结果,通过有限元仿真模拟,对球栅阵列（ball grid array, BGA）焊点结构在跌落过程中危险位置的受力变化情况进行了研究。试验结果发现,危险位置出现在外侧角部焊点上,并与印刷电路板（PCB）相连接的一侧。焊点在跌落过程中先后受到了高速拉伸、高速剪切等受力状态的作用。断口形貌显示,高速拉伸载荷是焊点最终破坏的主要原因。基于以上的分析,并结合BGA焊点的几何形状,本文设计了亚尺寸冲击接头,并制定了相应的制备工艺和试验方法,为后续研究提供了基础。模仿标准板级跌落试验,本文自行设计了小型跌落冲击平台,开展了接头级跌落冲击性能的研究。为了验证方案的可行性,首先选取了焊后态的Sn37Pb（wt.%）和Sn3.8Ag0.7Cu（wt.%,简称SAC387）两种典型钎料接头展开评价。从试验结果来看,两种钎料接头的跌落冲击性能得到了较好的区分,共晶锡铅钎料接头的跌落冲击性能明显优于无铅钎料。通过对跌落过程中接头显微组织变化的观察,成功解释了差异的原因。而试验结果的明显差别证明了用该种方法评价钎料接头跌落冲击性能的可行性。随后,利用SAC387钎料接头进行了试验参数的优化,得到了跌落高度与跌落次数之间的指数关系式,确定了合理的测试高度。通过对不同成分钎料接头的跌落冲击性能评价,本文找到了性能较好的无铅钎料接头。试验还对母材硬度和缺口等因素的影响进行了评价,为提高接头的冲击性能提供了建议。与标准板级跌落试验相类似,该方法中影响因素也较多,钎料接头位置的受力并不稳定,导致规律性的试验结果需要建立在大量的试验统计基础上,这为钎料接头的评价设置了障碍。基于以上问题的分析,本文设计了小能量多次摆锤冲击方法来评价接头的冲击性能。利用SAC387钎料接头对冲击摆角进行了参数优化,发现摆角与冲击次数之间满足指数关系,进行了焊后态钎料接头冲击性能的对比试验,得到了与接头级跌落相似的变化趋势,接头冲击性能的差距进一步拉大。而通过改变摆锤的冲击位置,最终得到了性能的明显区分效果,并利用断口形貌的显微组织观察和对比,解释了冲击性能差异的原因。另外,试验也讨论了缺口对冲击性能的影响,所得结论与接头级跌落一致。最终,小能量多次侧冲试验方法被认为是一种区分钎料接头冲击性能的替代方法。为了与多次冲击试验相对比,本文采用亚尺寸夏比冲击试验对钎料接头的冲击性能进行了评价。通过冲击吸收功的对比发现,变化趋势与多次冲击结果相一致。同时,本文还对接头结构、钎焊工艺和时效时间等影响因素进行了研究。钎料接头的冲击性能在不同条件下均得到了一定程度的区分,为丰富和完善接头冲击性能的评价方法提供了很好的借鉴和参考。另外,本文研究了加载速率对钎料接头剪切强度的影响,找到了剪切强度随加载速率的变化规律,发现了SAC钎料接头在1mm/s-10mm/s时存在着韧脆转变现象。通过环境温度对接头力学性能影响的研究,得到了环境温度与降低加载速率对接头的韧脆转变有相似影响的结论。另外,通过几种冲击试验的结果拟合,本文发现了多次冲击寿命与夏比冲击吸收功之间存在着指数关系,断口形貌基本一致,证明了三种冲击试验方法有较强的相关性。其中,小能量多次摆锤侧冲试验和U型缺口亚尺寸夏比冲击试验作为区分钎料接头冲击性能的良好方法而被推荐。试验结果表明,在SAC基钎料成分中,银含量在1 wt.%的钎料接头具有较好的冲击性能。最后,本文采用纳米压痕法测量了金属间化合物（IMC）的相关属性,利用Cohesive单元定义了界面层,模拟了接头的断裂过程,分析了影响钎料接头损伤速率的主要因素,发现界面结合强度和钎料率相关性对接头冲击性能影响较为明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电子封装技术的发展
• 1.2 材料无铅化的可靠性问题
• 1.3 电子封装产品跌落冲击可靠性的研究进展
• 1.3.1 产品级跌落冲击试验
• 1.3.2 板级跌落冲击试验
• 1.3.3 板级跌落冲击标准相关研究
• 1.3.4 板级跌落试验的替代性研究
• 1.4 钎料的动态力学行为研究
• 1.5 主要问题和研究途径
• 1.5.1 存在的主要问题
• 1.5.2 研究内容和途径
• 第2章 亚尺寸试样的设计制备及试验
• 2.1 亚尺寸试样的设计
• 2.1.1 标准板级跌落过程的模拟
• 2.1.2 接头试样的设计
• 2.2 接头试样的制备
• 2.2.1 钎料合金的制备
• 2.2.2 热熔焊接头的制备
• 2.2.3 热浸焊接头的制备
• 2.2.4 剪切试样的制备
• 2.2.5 铺展试样的制备
• 2.3 试验方法的设计
• 2.3.1 接头级多次跌落冲击试验
• 2.3.2 小能量多次摆锤冲击试验
• 2.3.3 夏比冲击试验
• 2.3.4 接头剪切试验
• 2.3.5 纳米压痕试验
• 2.4 显微组织观察
• 2.5 本章小结
• 第3章 接头级跌落冲击研究
• 3.1 两种典型钎料接头跌落冲击性能对比
• 3.2 最佳跌落高度的选取
• 3.3 不同成分钎料接头的跌落冲击性能试验
• 3.4 铜基材性能对接头冲击性能的影响
• 3.5 缺口对钎料接头冲击性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 小能量多次摆锤冲击研究
• 4.1 摆锤摆角对焊后态接头冲击性能的影响
• 4.2 不同成分钎料接头的小能量正冲试验
• 4.3 缺口对钎料接头冲击性能的影响
• 4.4 摆锤侧冲对钎料接头冲击性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 夏比式摆锤冲击研究
• 5.1 焊后态亚尺寸钎料接头的夏比冲击试验
• 5.1.1 不同成分的U 型缺口接头夏比冲击试验
• 5.1.2 缺口对钎料接头夏比冲击性能的影响
• 5.2 钎焊工艺对钎料接头夏比冲击性能的影响
• 5.3 钎缝间隙对钎料接头夏比冲击性能的影响
• 5.4 时效时间对钎料接头夏比冲击性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 单边搭接接头拉剪性能研究
• 6.1 单边拉剪试验
• 6.2 环境温度对剪切性能的影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 三种接头级冲击研究的关系建立
• 7.1 三种冲击方法的共同特性
• 7.2 三种冲击结果的拟合与对比
• 7.2.1 三种冲击试验的数据拟合
• 7.2.2 三种冲击试验的断口形貌对比
• 7.3 本章小结
• 第8章 材料参数对接头冲击性能的影响
• 8.1 纳米压痕测量界面IMC 层的力学性能
• 8.2 基于Cohesive 单元的有限元模拟
• 8.2.1 Traction-separation 法则
• 8.2.2 BGA 焊点的有限元模拟
• 8.2.3 影响钎料接头冲击性能的主要因素
• 8.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 攻读博士学位期间申请的发明专利
• 致谢