热载荷下无铅焊点可靠性电测方法研究

论文摘要

电子封装高度集成化,使得焊点可靠性评估更加困难,而封装无铅化,又给焊点可靠性研究带来新的问题。本文采用微电阻测量的手段,研究在热载荷条件下SnAgCu焊点可靠性评估的电测方法,并进行可行性分析。对热载荷下无铅焊点的失效机制进行综合分析,建立焊点损伤与电阻的简单关系模型,为本文研究奠定理论基础。改进焊点蠕变-电阻测试系统,在不增加成本的同时提高主板电路测量精度以及优化上位机应用软件。采用增量式PID控制算法和脉冲波脉宽调制技术,设计并实现了温度控制仪,为焊点试样施加热循环和恒定高温两种热载荷。实验表明,温度控制仪具有高可靠性。制作长宽各1mm、厚0.2mm的SnAgCu焊点试样,分别进行室温剪切蠕变、高温剪切蠕变、热循环疲劳以及热循环疲劳加剪切蠕变实验。利用金相显微镜和电子显微镜观察试样断面,并采用Origin对大量的焊点试样测试结果进行数学处理,得到的相关表格、曲线图和照片表明:1)不同载荷方式下,焊点寿命不同,热循环疲劳实验中的焊点寿命最长,高温剪切蠕变实验中的焊点寿命最短,分析可知焊点寿命与载荷大小呈反比关系;2)四项实验的测试曲线都反应了焊点的裂纹连续生长、蠕变失效过程,变化趋势与经典结果吻合,清晰地反映出失效的三个阶段;3)不同载荷方式下的焊点失效断裂时,电阻应变量各异,即断裂前焊点内部损伤情况不同,鉴于此,本文对电失效判据进行分析,讨论通用电失效判据（电阻应变10%）的适用范围;4)分析试样断裂面显微照片后发现,热循环疲劳加剪切蠕变下焊点断面滑移线细密、模糊,而室温剪切蠕变下焊点焊点断面滑移线粗放、清晰;5)通过测试焊点的电阻应变率可知焊点在失效过程中所处的阶段,证明电测方法确实为焊点可靠性测试的一种有效手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无铅焊点可靠性研究现状
• 1.1.1 无铅焊点可靠性
• 1.1.2 热循环对无铅焊点可靠性的影响及研究现状
• 1.2 无铅焊点电测方法的提出
• 1.2.1 无铅焊点可靠性测试
• 1.2.2 无铅焊点可靠性电测方法
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 热载荷下无铅焊点失效机制与电阻应变
• 2.1 热载荷下无铅焊点的失效机制
• 2.1.1 焊点热应力-应变分析
• 2.1.2 SnAgCu焊料与Cu的界面反应
• 2.1.3 基于Coffin-Manson模型的寿命预测
• 2.2 热载荷下无铅焊点的电阻应变
• 2.2.1 SnAgCu焊点的热阻性
• 2.2.2 IMC层的电阻
• 2.2.3 焊点损伤与电阻应变
• 第三章 焊点蠕变电阻测试系统优化
• 3.1 测试系统总体结构改进
• 3.2 五点差分测试法
• 3.2.1 五点差分测试法的提出
• 3.2.2 硬件实现
• 3.2.3 软件实现
• 3.3 下位机软件优化
• 3.3.1 数据平均化处理
• 3.3.2 通信协议
• 3.4 上位机应用软件优化
• 3.4.1 菜单优化
• 3.4.2 实验数据采样
• 3.4.3 参数曲线绘制
• 3.4.4 采样记录清理
• 第四章 无铅焊点温度控制仪的研制
• 4.1 功能要求
• 4.2 系统的硬件实现
• 4.2.1 系统的硬件总体结构
• 4.2.2 温度测量模块
• 4.2.3 电阻炉控制模块
• 4.2.4 排热扇控制模块
• 4.2.5 LED显示模块
• 4.2.6 单片机主控模块
• 4.3 软件实现
• 4.3.1 数字PID控制算法
• 4.3.2 系统模式辨识
• 4.3.3 基于PID算法的实现
• 4.3.4 温度控制仪程序流程
• 第五章 无铅焊点载荷测试
• 5.1 实验材料和试样制作
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 试样制作
• 5.2 焊点载荷实验
• 5.2.1 室温剪切蠕变实验
• 5.2.2 高温剪切蠕变实验
• 5.2.3 热循环疲劳实验
• 5.2.4 热循环剪切蠕变实验
• 5.3 焊点试样断面分析
• 第六章 测试数据分析与讨论
• 6.1 测试误差分析
• 6.1.1 电阻测量误差分析
• 6.1.2 温度控制仪误差分析
• 6.2 测试数据处理和分析
• 6.2.1 测试数据处理
• 6.2.2 SnAgCu焊点寿命分析与讨论
• 6.2.3 SnAgCu焊点电阻应变过程分析
• 6.2.4 SnAgCu焊点断裂面分析
• 6.3 讨论
• 6.3.1 SnAgCu焊点可靠性电测方法讨论
• 6.3.2 关于电失效判据的讨论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 焊点测试仪主板电路
• 附录2 温控仪电路
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果