通孔元件焊点的抗热疲劳性能预测Ⅰ.焊点抗热疲劳能力的实验研究

针对通孔焊点进行了热冲击的可靠性测试，以非破坏性和破坏性的实验方法，对比分析了波峰焊点和再流焊点的抗热疲劳能力．结果表明，CTE(热膨胀系数)失配是焊点产生裂纹的主要原因，而焊点形态的差异又使得再流焊点内部断裂程度不同于波峰焊点．再流焊点裂纹产生在钎料内部；而波峰焊点由于具有饱满的圆角过渡形态，裂纹产生在镀铜孔与线路板的连接拐角处．裂纹的产生导致了两种焊点强度的降低，对其电性能的影响却甚微。     

SnAgCu无铅钎料焊点结晶裂纹

针对印刷电路板(PCB)上无铅钎料SnAgCu微小焊点的结晶裂纹,利用设计的试件重现无铅钎料钎焊过程中产生的结晶裂纹,对无铅钎料结晶裂纹进行模拟,同时研究了微量元素的添加对SnAgCu合金焊点结晶裂纹形成的影响。结果表明,在尺寸很小的焊点上仍然存在明显的结晶裂纹。用焊点结晶裂纹的总长度定量地评价无铅钎料结晶裂纹的敏感倾向,添加Ni和Ce元素能够降低无铅钎料结晶裂纹的形成,而P元素的添加却加剧了结晶裂纹的形成,明显增加了焊点处的结晶裂纹。     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性——裂纹生长机理

研究热冲击条件下细间距倒装微焊点的裂纹萌生及扩展,通过观察裂纹生长路径,并结合累积塑性应变能密度及应变在焊点上的分布,分析裂纹的生长机理. 结果表明,裂纹形成在微焊点外侧,位于镍焊盘界面IMC与焊料基体之间的界面上;随着循环次数的增加,裂纹进入镍焊盘附近的焊料基体中,沿着焊盘平行的方向扩展,累积塑性应变能密度及应变在微焊点上的分布与裂纹扩展方向一致. 对裂纹生长机理探讨可知,IMC与微焊点之间的界面处于双重应力集中状态,因此裂纹易在微焊点及IMC之间的界面上萌生;随着循环次数的增加,焊料基体的塑性变形增加,高塑性的焊料区域为裂纹扩展提供了条件.     

板级封装焊点中热疲劳裂纹的萌生及扩展过程

采用试验观测和数值模拟相结合的方法研究表面贴装板级封装焊点在热疲劳过程中的裂纹萌生及扩展规律。结果表明,在热疲劳过程中,焊点上存在着3个典型的热疲劳裂纹萌生位置,其中器件与钎料的交角附近区域最容易发生裂纹萌生。这与数值模拟分析得到的焊点在热疲劳过程中所产生的非弹性应变分布规律基本一致。无铅钎料焊点相对于锡铅钎料焊点具有相对较长的热疲劳寿命;焊盘尺寸较小时,热疲劳裂纹扩展速度相对较大。这与焊点中的等效非弹性应变数值具有较好的一致性。     

双相钢搭接点焊接头疲劳寿命分析

研究了双相钢焊点特征,对不同匹配双相钢搭接焊点进行了疲劳试验,获得了焊点的载荷寿命曲线.研究了双相钢焊点的疲劳裂纹扩展及失效形式,分析和解释了疲劳过程中的现象,并根据裂纹的实际扩展路径,提出了局部等效张开应力强度因子keq,从断裂力学的角度对双相钢焊点的疲劳失效进行了分析.结果表明,keq能够有效地关联具有不同厚度,不同熔核直径的搭接焊点试样的疲劳寿命,是反映双相钢焊点疲劳强度的有效参量,能够用来预测焊点疲劳寿命.     

倒装焊Sn—Pb焊点的热疲劳失效

对倒装焊Sn-Pb焊点进行了热循环实验,结合三维全局有限元模拟的结果,研究了Sn-Pb焊点热疲劳失效,结果表明,充胶后焊点内塑性应变范围减小近一个数量级,从而显著降低焊点的疲劳损伤后,由于底充胶改变了Sn-Pb焊点应力、应变分布,使得充胶前后焊点裂纹位置发生改变,Sn-Pb焊点热疲劳裂纹萌生于粗化的富Sn相,并穿过富Pb相沿Sn相生长,Sn和Pb晶粒的非均匀粗化趋势与模拟给出的剪切应变轴向分布一致。     

马氏体含量对双相钢焊点拉拉疲劳性能的影响

焊点的疲劳性能是决定车身安全性和可靠性的重要因素. 对不同强度的DP780,DP980和DP1180双相钢焊点进行了检验,在疲劳试验机上进行了拉剪疲劳试验,获得了焊点的疲劳寿命曲线,分析了焊点显微组织、硬度与疲劳性能的关系. 并对焊点的疲劳失效进行了分析. 结果表明：母材性能对其焊点的疲劳性能有较大影响. 母材强度越高即马氏体含量越多,其疲劳性能越优异,三种材料的失效模式均是沿着焊点圆周断裂,裂纹在熔核与母材交界的热影响区萌生,且先贯穿板厚,贯穿板厚的裂纹作为二次裂纹源向板宽方向扩展直至断裂.     

倒装焊底充胶分层与SnPb焊点热疲劳的可靠性

采用实验和有限元模拟,研究了底充胶分层和ＳｎＰｂ焊点的可靠性。结果表明,底充胶分层易发生在芯片／底充胶界面边缘处;当底充胶与芯片粘合强度较弱时,底充胶的早期分层是焊点中裂纹萌生扩展从而导致失效的直接原因;当底充胶与芯片粘合强度较强时,分层可以削弱底充胶对焊点的机械耦合作用,从而影响焊点的热循环寿命,此时,焊点热疲劳裂纹是焊点失效的直接原因。     

热循环条件下温度效应对PBGA焊点可靠性的影响

基于有限单元法研究PBGA封装无铅SAC405焊点在-55~125℃热循环中的可靠性,探讨了温度效应对其应力应变分布的影响,分析了焊点裂纹的成长情况。结果表明:温度效应对PBGA封装的应力、应变分布具有一定影响;焊点的等效应力最大值位于焊点的上表面,关键焊点是对应于芯片距离对称中心最远处的焊点;裂纹形成在基板侧,沿着焊盘由焊点的外侧向内侧扩展。试验结果与模拟结果一致,验证了模拟结果的正确性。     

温度对振动载荷下互连微焊点寿命的影响

设计了温度-定频振动两场耦合可靠性试验，应用两参数weibull统计分析和物理失效分析方法，分析了温度（25，100℃）对振动载荷下微焊点寿命的影响.结果表明，温度由25℃升高到100℃，振动载荷下的微焊点寿命显著提高，U₁位置处焊点寿命提高了106%，U₂位置处焊点寿命提高了180%；失效模式统计分析表明，随着温度的升高，焊点由界面裂纹（裂纹产生在界面处的金属间化合物与铜焊盘之间）转变为体钎料裂纹（裂纹产生在体钎料处），失效机制由脆性断裂转变为韧性断裂，失效机制的转变与焊点寿命密切相关.     

DP780板材点焊接头力学性能研究

对DP780板材点焊接头的力学性能、硬度分布、剪切疲劳性能进行了研究,并分析了焊点试样的剪切疲劳失效模式。结果表明:按照母材→热影响区→熔核→热影响区→母材顺序,焊点部位显微硬度的变化为先逐渐增大,而后趋于稳定,再逐渐降低,焊区内未出现严重脆化点;DP780板材焊点在循环载荷比R=0.1条件下,S-N曲线的方程为lgN=-4.547lgS+7.914;焊点失效呈现"眉状"裂纹失效特征,焊点疲劳裂纹扩展路径与焊点熔核边缘的初始裂纹形成一定的夹角     

SnAgCu无铅焊点低周疲劳行为研究（英文）

在25℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行不同频率(1~10 Hz)和应变范围(2%~8%)的低周疲劳试验。结果表明,不同应变范围条件下无铅焊点的低周疲劳行为符合Coffin-Manson方程。频率修正的Coffin-Manson方程可以用来描述频率对无铅焊点低周疲劳寿命的影响。疲劳裂纹首先在焊点边缘的钎料与金属间化合物(IMC)之间的界面处萌生,随后,裂纹沿近IMC层的钎料内进行扩展。不同频率条件下焊点的断口形貌主要分为3个特征区域:裂纹萌生区、裂纹扩展区和最终断裂区。随着频率的升高,焊点的断裂机制由沿晶断裂向穿晶断裂转变。     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性--应力应变

采用有限元模拟法,研究倒装组装芯片在-55～125℃热冲击过程中微焊点所承受的应力和应变,对微互连焊点的裂纹生长情况进行分析.结果表明,芯片最外侧焊点具有最大的累积塑性应变能密度,为组装体中最易失效焊点;累积塑性应变能密度主要集中在芯片侧镍焊盘附近,在外侧最大,向内侧逐渐递减,这表明裂纹形成在芯片侧,沿着焊盘由外侧向内侧扩散,最终穿过整个焊点.试验结果与模拟分析相一致,进一步验证了模拟结果对裂纹生长的分析.     

SnAgCu无铅焊点低周疲劳行为研究

在25℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行不同频率（1Hz~10Hz）和应变范围（2%~8%）的低周疲劳试验。结果表明,不同应变范围条件下无铅焊点的低周疲劳行为符合Coffin-Manson方程。频率修正的Coffin-Manson方程可以用来描述频率对无铅焊点低周疲劳寿命的影响。疲劳裂纹首先在焊点边缘的钎料与金属间化合物（IMC）之间的界面处萌生,随后,裂纹沿近IMC层的钎料内进行扩展。不同频率条件下焊点的断口形貌主要分为三个特征区域：裂纹萌生区、裂纹扩展区和最终断裂区。随着频率的升高,焊点的断裂机制由沿晶断裂向穿晶断裂转变。     

渗硅钼合金薄板储能点焊的研究

本文叙述了添加两种垫层的电容储能点焊工艺;成功地解决了渗硅钼合金薄板的连接问题。对点焊过程中出现的电极粘结、裂纹和焊点强度等关键问题进行了研究:在电极与工件表面之间垫入锡或铅箔(厚度为0.30—0.45mm),消除了电极的严重粘结;采用铌或钽箔(厚度为0.03—0.05mm),作焊点接合面的中间垫层,提高了焊点的高温强度;研究了电极端部形状对焊点产生裂纹及粘结的影响。试验证明,采用球端电极能更有效地消除焊点裂纹和粘结。通过对结合面的金相观察,这种焊点结合不是形成熔核而是在脉冲电流加热和电极压力的作用下,结合面中心区的硅层熔化并向外挤出,在钼、铌之间产生固相结合。     

多场耦合时效对微焊点界面组织与性能的影响

模拟复杂环境中的热场、电场、磁场和力场四维场合,设计制作了多场耦合时效装置,研究了Cu/Sn58Bi-0.05Sm/Cu微焊点在25、50、100和200 h的多场耦合时效过程中,界面金属间化合物的微观组织变化和力学行为。结果表明:随着时效时间的延长,焊点热端(阳极)的IMC层平整饱满,逐渐变厚,而冷端(阴极)呈现锯齿形,逐步变薄,出现大量的空位和空洞,并形成裂纹;焊点抗拉强度呈抛物线型下降,时效初期抗拉强度降速较大,之后降速逐渐减缓;拉伸断口逐步呈现小裂纹→单一大裂纹→多条大裂纹的现象,断裂机理为解理断裂,焊点的可靠性不断降低。     

电阻点焊工艺对先进高强钢焊点裂纹缺陷的影响

研究不同的焊接工艺对高强度双相钢电阻点焊焊接质量和焊点裂纹缺陷的影响。结果表明,增加焊后回火脉冲,能够改善焊点表面边部裂纹;增加预热脉冲或回火脉冲,能够明显提升焊点的抗剪性能;同时增加预热脉冲和回火脉冲,能够改善或消除焊缝区的软化点。     

热镀锌高强钢点焊的电极磨损对焊点质量的影响

试验研究了热镀锌高强钢点焊的电极磨损规律,同非镀层低碳钢相比,热镀锌高强钢点焊的电极寿命低、点蚀磨损特征变化明显.在此基础上分析电极磨损对焊点质量影响,电极磨损初期阶段,热镀锌高强钢点焊的飞溅严重、焊点表面产生微裂纹程度大,导致焊点质量下降.最后根据电极磨损对焊点微裂纹与熔核直径影响的试验结果,以微裂纹长度不超过0.25 mm的电极端面电流密度为标准,确定电流递增工艺方案,以减小严重电极磨损对焊点质量的影响.     

基于晶粒取向的无铅互连焊点可靠性研究

对球栅阵列封装(ball grid array,BGA)组件进行热循环实验,通过EBSD对焊点取向进行表征,观察不同取向焊点内晶粒取向演化情况.同时采用Surface Evolver软件对BGA焊点进行三维形态模拟,并基于实际焊点内的晶粒构成,对热加载条件下BGA组件热应力应变分布进行计算.实验和模拟结果表明,晶粒取向对焊点可靠性和失效模式产生非常显著的影响.对于单个晶粒构成的焊点,应力应变主要集中在靠近界面的钎料内部,该处发生明显的再结晶并伴随着裂纹的萌生和扩展;而对于多个晶粒构成的焊点,应力应变分布则依赖于晶粒取向,再结晶和裂纹倾向于偏离界面沿原有晶界向钎料内部扩展.部分特殊取向焊点,当原有晶界与焊盘界面垂直时,不利于形变,表现出较高的可靠性.当晶界与焊盘夹角为45°时,在剪切应力和焊点各向异性的双重作用下,原有晶界处产生较大的应力应变集中,加速了裂纹的萌生和扩展,导致焊点最终沿着原有晶界发生再结晶和断裂,焊点发生早期失效的可能性增加.     

PBGA封装SAC405互连焊点热疲劳寿命预测

基于正应变对焊点疲劳寿命的影响,采用改进的Darveaux模型,通过有限元数值模拟法对PBGA封装SAC405互连焊点的热疲劳寿命进行预测。结果表明:焊点的损伤尺度沿着封装中心线增加,在芯片边界以下达到最大值,然后向着封装边界方向逐渐减小,最终在封装边界附近恢复到较大值;裂纹易在封装侧焊点和焊盘之间界面上形成,并沿着焊点圆周方向较宽的角度范围扩展,裂纹生长过程与试验结果相一致;工况2条件下的关键焊点疲劳寿命为5 525个周期,随着热循环高低温保温时间的延长,关键焊点的疲劳寿命减小。