板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

采用实验测试与数值模拟相结合的方法对锡铅钎料和无铅钎料SAC305板级焊点分别在热疲劳和机械疲劳载荷作用下的破坏规律进行比较研究.结果表明:相对于传统锡铅钎料而言,常用无铅钎料(SAC305)焊点结构具有较为优异的抗热疲劳性能,然而其抗机械疲劳性能相对较差.由此,采用有限元方法分析了两种钎料焊点结构在热疲劳和机械疲劳过程中的塑性应变和蠕变应变演变过程,以探讨表面贴装板级焊点结构热疲劳和机械疲劳破坏过程的本质区别.     

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。     

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。     

驻留时间和加载速率对无铅焊点低周疲劳行为的影响

在25 ℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行不同驻留时间(1~20 s)和不同应变速率(0.01~0.08 mm/s)条件下的低周疲劳试验. 结果表明,在25 ℃下1~20 s的驻留时间对焊点的疲劳寿命影响不大;随着应变速率的加快,焊点的疲劳寿命逐渐降低,断裂机制逐渐由延性断裂向脆性断裂转变. 不同应变速率条件下的疲劳裂纹主要在焊点边缘钎料与金属间化合物(IMC)之间的界面处萌生,并在近IMC层的钎料内扩展. 焊点断口主要分为:裂纹扩展区和最终断裂区.     

微连接接头在热疲劳过程中的破坏规律

同时采用电阻测量方法和疲劳裂纹观测方法分析表面贴装结构焊点的热疲劳破坏过程.通过研究焊点在热疲劳过程中的电阻值变化和热疲劳裂纹的扩展过程,来比较传统锡铅钎料焊点和无铅钎料SAC305焊点的热疲劳破坏规律.并结合有限元分析,研究焊点在热疲劳过程中的电阻值变化与裂纹扩展之间的关系,从而获得一种工程上较为实用的焊点热疲劳失效的电阻值经验判据.结果表明,SAC305无铅钎料焊点相对于传统锡铅钎料焊点而言,具有较为优异的抗热疲劳性能.根据试验研究和有限元分析结果建立了焊点在热疲劳过程中发生失效的电阻值经验判据.

Abstract：

The failure process of soldered joint in SMT was investigated by electrical resistance measurement method and crack observation method. The characteristics of electrical resistance value variation of lead-tin and lead-free soldered (SA(305) joints during the thermal fatigue test were obtained. And at the same time the crack propagation in soldered joint was observed. According to these measurements, the failure roles of lead-tin and lead-free soldered joint were compared. The relationship between electrical resistance value variation and crack propagation of soldered joint during thermal fatigue test was studied by FEM, and an empirical criterion to estimate the failure of the soldered joint in the thermal fatigue test was obtained based on electrical resistance value variation. The experimental results show that the lead-free soldered joint has a higher resistibility in therrnal fatigue than the traditional lead-tin soldered joint. The criterion based on electrical resistance value variation was founded from the experimental and simulation results.     

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.     

通孔元件焊点的抗热疲劳性能预测Ⅱ.焊点内部力学响应特征的数值模拟

通过建立可靠性分析的力学模型，对温度循环载荷下通孔焊点内部应力应变场的分布特征进行了有限元数值模拟，结果表明，焊接方式的不同造成焊点形态的差异，进而应力应变的分布也不同；再流焊点的应力应变集中在钎料体及镀铜管处，而波峰焊点中线路板与镀铜层接触的拐角处是高应力集中区，这些位置容易引起裂纹产生和扩展．在热载荷过程中，应力-应变场的等值分布呈现出与温度历史相关的动态特性。     

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。     

焊点形态对表面贴装元件无铅焊点可靠性的影响

表面组装焊点的几何形态是影响焊点可靠性的重要因素之一.本文采用有限元方法,重点讨论了润湿角对低银Sn2.5Ag0.7CuRE焊点的应力应变分布和热疲劳寿命的影响,并与Sn37Pb和Sn3.8Ag0.7Cu钎料焊点的热疲劳寿命进行了对比分析.研究表明,片式元件的理想接头形态为微凹形;在此形态下,与Sn37Pb和Sn3.8Ag0.7Cu钎料焊点相比,低银Sn-2.5Ag-0.7CuRE钎料的表面贴装元件焊点具有更高的热疲劳寿命.这一结果对于焊点的优化设计及新型无铅钎料的研制具有一定的指导意义.     

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.     

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。     

CBGA结构热循环条件下无铅焊点的显微组织和断裂

用热循环实验、扫描电镜观察焊点横截面和有限元模拟的方法研究了陶瓷球栅阵列封装（CBGA）结构中无铅焊点的组织和热疲劳行为．CBGA结构中,在焊料与铜焊盘和银焊盘的界面处分别形成了Cu6Sn5和Ag3Sn．在热循环过程中,铜焊盘处Cu6Sn5层增厚,并出现Cu3Sn;镀银陶瓷芯片一侧,Ag3Sn层也增厚,焊球中靠近界面处Ag3Sn的形态从条状向球状过渡．增加热循环周次,疲劳裂纹最先出现在芯片与焊球界面处焊球的边角位置上,有限元模拟表明此处具有最大的剪切应力．在印刷线路板处,裂纹沿Cu6Sn5和焊料的界面扩展;在陶瓷芯片处,裂纹沿Ag3Sn界面层附近的焊球内部扩展．     

航天电子产品中SMT焊点形态对其疲劳寿命的影响

深入分析了航天电子产品中表面组装技术(surface mount technology,简称SMT)焊点可靠性影响因素及失效机理,研究了温度循环下SMT焊点弹塑性应力应变规律及其寿命预测方法,并在此基础上探索了元件与焊盘间隙、钎料量、外轮廓等形态对焊点热疲劳寿命的影响,揭示焊点形态与应力应变和疲劳寿命之间的对应关系,以寻求具有较为理想力学性能及热循环寿命的焊点形态. 结果表明,上述理论方法为实际焊接过程中的PCB上焊盘尺寸的合理设计提供了理论支撑.     

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。     

FCBGA器件SnAgCu焊点的热冲击可靠性分析

采用有限元法和Garofalo-Arrheninus稳态本构方程,在热冲击条件下对倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）器件SnAgCu焊点的可靠性进行分析. 结果表明,Sn3.9Ag0.6Cu焊点的可靠性相对较高. 通过分析SnAgCu焊点的力学本构行为,发现焊点应力的最大值出现在焊点与芯片接触的阵列拐角处. 随着时间的推移,SnAgCu焊点的应力呈周期性变化. Sn3.9Ag0.6Cu的焊点应力和蠕变最小,Sn3.8Ag0.7Cu焊点应力和蠕变次之,Sn3.0Ag0.5Cu焊点应力和蠕变最大,与实际的FCBGA器件试验结果一致. 基于蠕变应变疲劳寿命预测方程预测三种SnAgCu焊点的疲劳寿命,发现Sn3.9Ag0.6Cu焊点的疲劳寿命比Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.8Ag0.7Cu焊点的疲劳寿命高.     

考虑IMC影响的PBGA无铅焊点温度循环有限元数值模拟

采用ANSYS统一Anand粘塑性本构方程描述SnAgCu焊点非弹性形变.对考虑IMC的PBGA焊点与不考虑IMC的PBGA焊点在温度循环载荷作用下的应力应变响应进行分析比较.结果表明,远离中心位置的外侧焊点承受更大的应力应变;在温度循环加载过程中IMC层积累了较大的应力;由于IMC层的硬脆性材料特性,应力不会通过塑性形变释放,使焊料在高应力IMC界面发生较大的塑性形变;IMC焊点高应力集中区的应力应变迟滞回线所代表的应变能高于不考虑IMC的焊点,导致其热疲劳寿命远低于不考虑IMC的焊点,与实际温度循环试验结果更为接近.     

THE DESIGN OF AN INTEGRATED SYSTEM FOR PREDICTING AND ANALYZING SOLDER JOINT SHAPE AND RELIABILITY IN SMT

1.IntroductionOnecriticalaspectinelectronicpackagingisthefatigUe/creep--inducedfailureinsolder(tin--leadbasedalloy)interconnections.previouswork,[l--ZJhaveprovedthatthesolderjointreliabilitydependsonthesolderjointshape(amongotherparameters).Manyissueshavefocusedontheresearchaboutsolderjointshapesince90.However,asystematicmethodofpredictingandanalyzingsolderjointshapeandreliability,whichcanheusedindirectingpracticalengineering,isstillnotgiven.Basedontheobject--orientedaPPmach,anintendedsystem…     

热应力作用下碳化钨基钢结硬质合金梯形裂纹的形成机理

在自约束型热疲劳试验机上对碳化钨含量不同的钢结硬质合金进行了热疲劳试验，用金相显微镜和扫描电镜对热疲劳裂纹扩展行为进行了研究。结果表明：在热应力作用下，不仅在合金的表面，在合金的内部都形成了“梯形”裂纹。这种形态的裂纹是由试样缺口处的热疲劳裂纹扩展而引起的，合金中的钢基体相阻碍裂纹扩展，而WC硬质相诱导裂纹扩展，这两种因素的综合作用促使热疲劳裂纹成“梯形”扩展。分析认为：使WC粒子在钢基体中均匀分布，提高钢基体的热疲劳抗力，从而来阻止梯形裂纹的形成，是提高碳化钨钢锆硬质合金抗热疲劳性能的有效途径。     

电子封装功率模块PbSnAg焊层热循环可靠性

对电子封装IGBT功率模块进行热循环实验,考察了92．5Pb5Sn2.5Ag钎焊层的热循环失效和裂纹扩展,应用超声波显微镜对裂纹扩展过程进行了检测,得到了热循环失效的裂纹扩展数据。采用统一型粘塑性Anand方程描术字92．5Pb5Sn2.5Ag的力学本构,模拟了功率模块钎料焊层纹体在热循环条件下的应用应变。基于对△J积分的求解,描术字PbSnAg焊层热循环裂纹扩展速率。