极端温度环境Sn基焊点本构方程的研究进展

焊点在深空探测器的电子系统中承担机械支撑、电气连接和信号通道的作用,电子系统的失效也多由互连焊点的失效引起,这与钎料在不同温度载荷下力学行为和微观组织的变化有着重要的联系。目前焊点主要以Sn基钎料为主,且在-55～150℃温度范围内根据其力学性能构建黏塑性方程,如Anand、Garofalo-Arrheninus、Norton、Wiese模型等。但对小于-55℃温度环境下的钎料本构方程研究较少。通过对-55～150℃温度范围内现有的力学本构模型进行了综述,阐述在不同温度下力学性能和微观组织对焊点可靠性的影响,总结了目前面临的问题和挑战,最后对小于-55℃下Sn基钎料和焊点的力学本构模型研究进行了初步探索及展望。     

纳米压痕研究石墨烯增强Sn-Ag-Cu钎料焊点的高温蠕变行为

当前,为应对电子封装产业微型化、高密度化的发展趋势,提高钎料焊点的可靠性,石墨烯增强锡基复合钎料成为研究热点。但相关研究多集中于石墨烯对界面反应及剪切强度的影响,对焊点高温蠕变行为及本构方程的研究较少。为强化传统的Sn基钎料,首先通过机械混合的方法制备了石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合钎料。然后利用纳米压痕技术对复合钎料焊点在高温下的蠕变行为进行研究,并与Sn-Ag-Cu焊点进行了对比。试验结果表明,保载阶段,蠕变应力会发生松弛(Δσ),同时石墨烯可有效减慢焊点的蠕变应变速率,抑制晶界滑移,提高激活能。修正的Dorn模型考虑了位错强化、细晶强化、奥罗万强化、载荷传递强化等强化机制以及温度的影响,与纳米压痕得到的蠕变数据较好的吻合,验证了修正模型的有效性。     

稀土元素对SnAgCu焊点内部组织的影响机制

随着人们环保意识的逐渐增强,新型无铅钎料的研究成为电子工业中的研究热点,而稀土元素的添加可以显著改善钎料的性能,基于含稀土Ce无铅钎料的钎焊试验,采用扫描电镜和能谱仪研究稀土元素Ce对SnAgCu焊点内部组织的影响机制。结果表明,稀土元素在SnAgCu焊点内部以CeSn3的形式存在,且稀土相形态各异。采用化学亲和力来表征稀土元素Ce与Sn、Ag、Cu之间的内在联系,从理论上证明Ce的“亲Sn性”。采用乌尔夫原理研究稀土元素的吸附现象,解释稀土元素Ce对SnAgCu焊点内部金属间化合物的细化作用。由SnAgCuCe焊点组织分析,发现基体组织中颗粒尺寸大小排序为CeSn3>Cu6Sn5>Ag3Sn,从理论上证明纳米Ag3Sn颗粒在SnAgCuCe焊点强化中发挥着主要的作用。研究结果可以为新型无铅钎料的研究提供理论支撑。     

快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料钎焊接头的显微组织

采用单辊法制备了快速凝固态Sn2.5Ag0.7Cu钎料合金,在相同钎焊工艺条件下,用扫描电镜及能谱仪、拉伸试验机研究了普通和快速凝固态钎料对紫铜板钎焊接头的组织、断口形貌、界面化合物和接头性能。结果表明:与普通钎料相比,快速凝固态钎料钎焊接头组织细化,初生β-Sn相尺寸减小而数量增多、共晶组织明显减少,并且初生相与共晶组织界线变得模糊;剪切断裂时形成的韧窝更多,钎焊接头的韧性得到提高。     

电子电路中焊点的热疲劳裂纹扩展规律

采用试验方法研究表面贴装结构焊点在热疲劳过程中的疲劳裂纹扩展规律。试验研究中选用两种不同尺寸的焊盘及两种不同的钎料(包括传统的锡铅钎料和锡银铜无铅钎料SAC305),通过观测焊点截面上的裂纹萌生及扩展过程来研究焊点中的热疲劳裂纹扩展规律。研究结果表明,在热疲劳过程中,焊点经历热疲劳裂纹萌生和扩展的两个不同阶段,其中裂纹萌生所占的时间比例较小。在热疲劳后期,裂纹贯穿整个焊点从而造成焊点结构失效。研究发现,焊点结构失效过程中存在着两种不同的裂纹扩展模式,并且锡铅钎料焊点和SAC305无铅钎料焊点的裂纹扩展规律表现出明显的差异。另外研究还发现,当焊盘尺寸较小时,焊点的抗热疲劳性能相对较差;SAC305无铅钎料焊点的抗热疲劳性能优于传统锡铅钎料焊点。     

片式微波组件激光软钎焊气密封装技术研究

文中对片式微波组件激光软钎焊气密封装工艺开展研究,优化了影响焊缝成形的焊接结构、热台温度、助焊剂、离焦量、激光功率、焊接速度等工艺参数,分析了激光软钎焊密封接头微观组织,测试了激光软钎焊密封组件的气密性。结果表明:激光软钎焊封盖过程是一个温度场不断变化的动态过程,因此激光功率和焊接速度两参数也应在一定范围内通过程序设计动态调节。钎料可完全填充壳体与盖板之间形成的间隙,钎料中无空洞和裂纹,钎料未溢流到壳体内部。钎料与镀Ni 层接触并润湿良好,在钎料与壳体和盖板界面未形成粗大脆性的金锡金属间化合物。接头上部钎料基本保持(Sn)+(Pb)共晶组织状态,接头下部镀Ni层与钎料之间形成薄且均匀连续的金属间化合物层AuSn和AuSn₂。采用优化后的工艺参数激光软钎焊密封的组件气密性满足机载有源天线阵面应用要求。     

激光加热控制微细焊点钎料熔融方法研究

为了研究高密度电子封装器件无钎料桥连的互连新工艺,采用数值模拟的方法讨论了激光单点式以及扫描式加热下细间距QFP(Quad flat package)器件焊点的温度场分布规律,然后在红外炉和激光扫描式加热下进行了QFP256器件的组装工艺试验。理论分析结果表明,由于激光的局部集中加热特性,能够有效地控制焊点温度场分布,从而可以有效地控制焊点钎料的熔融范围,解决细间距引线焊点钎料桥连的问题。试验结果证明了激光单点式和扫描式加热实现细间距引线器件无钎料桥连互连工艺的可行性。     

废旧电路板钎料吹扫去除试验研究

废旧电路板拆解不但是旧元器件重用的必要步骤,而且有利于废旧电路板上不同材料物质的分类收集.现有废旧电路板拆解工艺和拆解设备难以有效拆卸插装元器件,为了实现废旧电路板的自动化拆解,提出一种基于钎料吹扫去除的废旧电路板拆解工艺,并研制了相应的钎料吹扫去除试验设备,用于辅助拆解以插装电子元器件为主的电路板.为了提高钎料去除率和焊点脱钎率,以废旧电视机主板为例,在钎料吹扫去除试验设备上进行钎料去除的正交试验,并在试验条件下确定最优的预热功率、喷嘴缝宽、压缩热气体吹扫角度和电路板运行速度等工艺参数.试验结果表明,基于钎料吹扫去除的拆解工艺能有效拆解插装元器件,焊点脱钎率可达98.1%;试验结果还表明,在采用基于钎料吹扫去除的拆解工艺中,电路板运行速度是影响钎料去除效果的最重要因素,应该适当取值以优化拆解工艺.     

含铋焊料的板级可靠性研究

为确认某型含铋焊料球CBGA的可靠性,并依据焊料特性制定合适的焊接工艺,文章通过对印制板焊点的检查、测试,对比了锡铅焊料、含铋焊料(Sn46Pb46Bi8)的剪切力、合金元素分布、IMC层状态,观察了老化试验前后含铋焊料焊点剪切力、合金元素分布、IMC层状态的变化。研究表明含铋焊料各方面性能与锡铅焊料相当,老化试验后焊点性能未发生严重衰减。文章最后依据Sn46Pb46Bi8焊料特性,修改了CBGA焊盘设计、优化了焊接工艺。     

电子封装SnPb钎料和底充胶的材料模型及其应用

采用统一型粘塑性Anand模型描述SnPb钎料的非弹性力学行为,基于试验数据和弹塑性蠕变本构模型,确定了92.5Pb5Sn2.5Ag和60Sn40Pb两种钎料Anand模型的材料参数。采用线性粘弹性Maxwell模型,描述了一种倒装焊底充胶U8347-3材料的模量松弛和体积松弛,得到了相应的松弛参数,研究对所给出的材料模型和参数进行了验证。另外,利用有限元法模拟了倒装焊在热循环条件下的应力应变行为,分析了SnPb焊点的塑性应变和热循环寿命。结果表明,采用上述材料模型和参数,可以合理描述SnPb钎料和底充胶的力学本构,并可应用于电子封装的可靠性模拟和分析。     

等温时效对Sn3.0Ag2.8Cu/Cu焊点界面层组织的影响

对Sn3．0Ag2．8Cu／Cu焊点等温时效后其界面组织的变化进行了SEM、OM以及EDX分析研究，并与Sn37Pb／Cu焊点进行了比较。结果表明：在焊料与铜基板界面上存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物，时效过程中Sn3．0Ag2．8Cu焊料与铜的生长速度较慢，金属间化合物的生长属于扩散控制。     

Effects of solder joint structure and shape on thermal reliability of plastic ball grid array package

Among the PBGA (plastic ball grid array) packages, a 72-I/O OMPAC (overmolded effect array carrier) package is studied during thermal cycling. The ANSYS software is applied to analyze the effects of some factors on the solder joint for the fatigue life due to elastoplastic deformation of the electronic package; those factors are solder structure, shape, and pitch. The result shows that the maximum equivalent plastic strain range occurs at two interfaces, one is between the solder joint and the substrate, another one is between the solder joint and the printed circuit board. Moreover, the solder shape is determined by the solder height and the pad diameter under a fixed value of solder volume. It is found that the convex-shaped solder with larger height and smaller pitch has smaller maximum equivalent plastic strain range, which leads to the longer fatigue life. In addition, there are two kinds of solder structure: pure solder joint and copper core solder joint. In the copper core solder joint, the eutectic part becomes so small that a larger strain is induced. Therefore, the pure solder joint has smaller maximum equivalent plastic strain range and longer fatigue life than the copper core solder joint.     

基于焊点形态理论的SMT焊点质量模糊故障诊断技术研究

根据SMT焊点质量与焊点的三维几何形态直接相关的特点，提出了SMT焊点形态理论。以该理论为支持，提出了SMT焊点质量模糊诊断技术。将实际焊点几何形态与合理焊点几何形态对应比较，作为模糊输入向量，以焊点的故障缺陷发生可能度作为模糊输出向量。通过可信度约束的模糊规则与正反向模糊推理，进行焊点质量模糊故障诊断。以四边扁平封装器件(QFP)为例，进行了实例验证。     

PCBA 板载 DDR 芯片焊点缺陷检测研究

板载芯片朝着小尺寸高密度方向发展,隐藏于芯片封装内部的微焊球缺陷检测愈发困难。针对工业高密度集成印刷电路板组件(PCBA)板载集成电路(IC)内部故障定位难、效率低的问题,提出一种芯片功能测试过程中采用红外热成像检测结合深度学习的多类型缺陷识别方法。以现场可编程门阵列(FPGA)单板双倍数据速率(DDR)存储芯片为对象,建立了芯片缺陷检测模型,搭建检测平台开展芯片内部焊点故障检测试验研究。设计程序实现芯片的数据存储与读出,同步采集红外图像序列,分析存储芯片读写过程中温度变化,并提取不同敏感测量区域热信号。构建卷积神经网络(CNN)分类模型,并进行超参数调优,实现了内部隐藏缺陷包括不同地址、数据、地址空间焊点故障的高效准确识别。引入迁移学习拓展应用于芯片其他9种不同焊点缺陷的检测,在10、20 dB高斯白噪声条件下分别达到95%、92%以上的准确率,从而为实际工业高密度集成PCBA板载微电子封装及可靠性分析提供了一种快速、有效的方法。     

气孔缺陷位置对SMT焊点热疲劳寿命影响的数值分析

通过用统一的粘塑性本构方程描述SMT焊点的力学行为，对气孔缺陷在SMT焊点中不同位置的情况建立二维有限元分析模型，并采用有限元方法分析了气孔位置对SMT焊点疲劳寿命的影响。分析发现，与无缺陷焊点相比，气孔使焊点中应力应变分布发生了改变，使焊点疲劳寿命缩短；焊角、焊趾和焊点中部位置的气孔对焊点中的应力应变和焊点的疲劳寿命影响较小，而焊点根部气孔的影响则显著。     

钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织及力学性能的影响*

通过回流焊技术制备Au-Sn/Ni焊点,通过扫描电子显微镜和能谱检测分析钎焊接头的微观组织及其相组成,利用疲劳试验机对焊点的剪切强度进行检测,研究不同钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织和力学性能的影响。结果表明,在310 ℃钎焊1 min的Au-Sn/Ni焊点经过水冷或空冷后,焊料内部均形成镶嵌有离散分布的(Ni,Au)₃Sn₂相的(Au₅Sn+AuSn)共晶组织,焊料/Ni界面处形成(Ni,Au)₃Sn₂金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层;钎焊后炉冷的焊点,由于冷却速度过慢,导致焊料中Ni质量分数增大,(Ni,Au)₃Sn₂相异常长大消耗共晶组织中的(Au,Ni)Sn相,焊料共晶组织消失。随着钎焊时间的延长,基板中的Ni原子不断往焊料扩散,界面处的IMC层厚度均有不同程度的增加。随钎焊时间延长焊点的剪切强度逐渐下降,而剪切断裂模式为脆性断裂,发生在焊料与金属间化合物层的界面处。Au-Sn/Ni焊点在310 ℃下钎焊1 min,并采用水冷方式时得到的力学性能最佳。     

SnAgCu/SnAgCuCe焊点的显微组织与性能

针对SnAgCu和SnAgCuCe两种无铅焊点,研究焊点内部组织、力学性能及热疲劳特性。研究结果表明,稀土元素Ce的加入可以提高焊点的力学性能,稀土元素的添加可以使SnAgCu焊点拉伸力提高近12.7%。稀土元素的添加细化SnAgCu基体组织,同时减小金属间化合物颗粒(Cu6Sn5和Ag3Sn)的尺寸,这是SnAgCuCe焊点力学性能提高的主要原因。拉伸断裂后的扫描电镜分析表明,两种焊点的断裂呈现明显的韧性断裂特征。另外在温度循环载荷下,稀土元素可以显著提高SnAgCu焊点的疲劳寿命。基于有限元模拟发现SnAgCuCe的抗蠕变性能显著高于SnAgCu焊点。     

跌落碰撞下球栅阵列无铅焊点寿命分析

基于跌落试验与有限元模拟结果进行球栅阵列(ball grid array,BGA)无铅焊点的跌落碰撞寿命分析。首先用统计学的方法,建立跌落碰撞下不同脉冲幅值与脉冲时间的BGA封装无铅焊点寿命预测模型,并通过其寿命预测模型定量评估BGA无铅焊点的跌落碰撞寿命;接着用Power原理建立一个将焊点最大拉应力与焊点失效时跌落次数联系起来的焊点寿命预测模型。无铅焊点寿命预测模型的研究对封装的设计及其可靠性提高具有一定的指导意义。