Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料压入蠕变性能的研究

对Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料在温度为50～100 ℃,应力为16.7～43.2 MPa条件下的压入蠕变性能进行研究.得到压入蠕变的应力指数n=3.181、蠕变激活能Q=59.189 kJ/mol、材料的结构常数A=0.423.获得Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料稳态压入蠕变速率本构方程:(ε)=0.423σ3.181exp(-59189/RT).随着温度和应力的增加,Sn-3.5Ag-2Bi-0.7Cu无铅焊料的压入蠕变速率明显增加,蠕变后Ag3Sn、Cu6Sn5相明显变粗变短.Ag3Sn和Cu6Sn5可强化基体,提高(-Sn基体的抗压入蠕变性能.     

基于纳米压痕法Sn3.0Ag0.5Cu焊点金属间化合物力学性能及其应变率效应的研究

采用纳米压入测试系统对无铅焊点Sn3.0Ag0.5Cu内金属间化合物(IMCs)Cu3Sn、Cu6Sn5的力学性能进行测试,应变率分别为0.01 s-1,0.05s-1,0.25s-1,0.5s-1,分析IMCs力学性能的应变率效应。研究发现金属间化合物具有应变率强化效应;Cu3Sn和Cu6Sn5的变形机制不同,前者加载曲线呈现锯齿流变,后者曲线光滑;Cu3Sn和Cu6Sn5的接触刚度在不同应变率时均与压痕深度成线性正比例关系;Cu3Sn的弹性模量和硬度明显高于Cu6Sn5;Cu3Sn和Cu6Sn5的硬度值均随着应变率的增大而增大,而对弹性模量没有明显影响。保载阶段,蠕变位移具有应变率强化效应,加载应变率为0.05s-1时做对比实验,Cu焊盘、Cu3Sn、Cu6Sn5和焊点的蠕变应变率敏感指数m分别为0.01627、0.0117、0.0184和0.0661。     

回流温度对单板/板级BGA无铅焊点的剪切力学行为影响

采用试验的方法研究回流温度对Sn3.0Ag0.5Cu,Sn0.3Ag0.7Cu,Sn0.3Ag0.7Cu-0.07La-0.05Ce三种无铅钎料在单板结构/板级结构中剪切性能的影响.结果表明,随着回流温度的升高,单板结构中高银焊点的抗剪强度最高且一直增加,低银焊点呈现出先增加后降低的趋势.板级结构中焊点的抗剪强度均随回流温度的升高呈现出先增加后降低的趋势,其中添加稀土元素的低银焊点的抗剪强度最高.两种结构中焊点的至断位移均随回流温度的升高而降低.板级结构中,随着回流温度的升高,高银焊点的断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变,而低银焊点则一直为韧性断裂,其断裂位置向IMC方向移动.     

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.     

基于纳米压入法研究Sn3.0Ag0.5Cu焊点金属间化合物的应变率效应

采用纳米压入法对Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点金属间化合物(IMCs)Cu_3Sn和Cu_6Sn_5进行测试,对其不同压入应变率下(P/P=0.01,0.05,0.25,0.5 s~(-1))的力学性能进行研究。结果发现金属间化合物具有应变率敏感性,Cu3Sn和Cu6Sn5加载曲线的锯齿流变不同,表明两者在弹-塑性转变过程中的位错成核与增殖程度不同;不同应变率下Cu_3Sn和Cu_6Sn_5的接触刚度均与压入深度呈线性关系且Cu_3Sn的弹性模量和硬度明显高于Cu_6Sn_5,随着应变率的增大二者的硬度值均增大而弹性模量则基本不变。加载应变率较高时保载段的蠕变位移较大,以应变率为0.05 s~(-1)时的蠕变数据为研究对象,Cu、Cu_3Sn、Cu_6Sn_5和Sn3.0Ag0.5Cu焊料的蠕变应变率敏感指数m分别为0.0163,0.0117,0.0184和0.0661。     

汽车车架用B610钢的力学性能与数值模拟研究

随着汽车数量的增加和广泛使用,现代汽车工业对材料的力学性能提出了更高的要求。本文对汽车车架用的B610钢进行了不同温度下的准静态及动态压缩试验,发现B610钢承受准静态荷载时高温区域(400℃-600℃)内材料的温度软化效应最为明显,而当承受动态荷载时在低温区域(-80℃-25℃)内材料的应变率硬化效应最为明显。同时利用试验数据拟合得到了B610钢考虑温度及应变率的Johnson-Cook本构模型,对B610钢材质的车架进行了正面碰撞的数值模拟,结果表明Johnson-Cook模型计算得到的内能转化率达到92.8%而线弹性情形仅有21.4%,等效应力峰值也降低了47%,充分说明了在汽车被动安全性研究中考虑材料温度软化效应及应变率强化效应的重要性。     

Sn-Ag-Cu无铅焊料及焊点在低温下组织和性能

为保证锡银铜合金及焊点在低温环境下使用可靠性,将SnAg3.0Cu0.5合金焊料和焊点在25、4、-20和-60℃恒温环境中进行储存565 d后,考察不同温度下SnAg3.0Cu0.5无铅焊料微观组织和物相变化,对经冷储存后SnAg3.0Cu0.5/Cu焊接接头进行拉伸强度和低周疲劳测试。结果表明,焊料经低温储存后没有发生灰锡转变,合金主要由Ag3Sn和β-Sn组成,组织形貌转变为树枝状组织,排列具有一定取向,β-Sn相晶面间距变小,焊料出现低温脆性倾向;随储存温度降低,SnAg3.0Cu0.5焊料与Cu基板互连结构的断裂界面从焊料侧向铜基体方向移动,焊缝的抗拉强度随之下降;在恒幅对称应变条件下,疲劳极限-循环次数曲线的斜率随焊件储存温度降低而变大,焊接接口的抗疲劳性能变差。     

底充胶叠层PBGA无铅焊点随机振动应力应变分析

建立了底充胶叠层塑料球栅阵列(plastic ball grid array, PBGA)无铅焊点三维有限元分析模型,研究了PBGA结构方式、焊点材料、底充胶弹性模量和密度对叠层无铅焊点随机振动应力应变的影响. 结果表明,底充胶可有效降低焊点内的随机振动应力应变;在其它条件相同下,对于Sn95.5Ag3.8Cu0.7,Sn96.5Ag3Cu0.5,Sn-3.5Ag和Sn63Pb37这四种焊料,采用Sn-3.5Ag的底充胶叠层焊点内的随机振动最大应力应变最小,采用Sn96.5Ag3Cu0.5的焊点内的最大应力应变最大;随着底充胶弹性模量的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应减小;随着底充胶密度的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应增大.     

SAC焊点的耐热疲劳性能研究

以芯片级封装(CSP)器件的焊点作为研究对象,选用Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)、Sn98.5Ag1.0Cu0.5(SAC105)、Sn63Pb37和Sn99.3Cu0.7等四种焊料制备CSP器件,研究了在热循环冲击前后CSP器件焊点的显微组织和电阻值变化率,以及热等温时效不同时间后不同焊料焊点的耐热疲劳性能。最后从设计与实际生产工艺角度提出改善电子产品耐热寿命的办法。     

不同钎料对QFP焊点可靠性影响的有限元分析

采用有限元方法研究了不同钎料钎焊QFP器件焊点的可靠性.结果表明,焊点根部、焊趾部位以及引线和焊点交界处为应变集中区域.分析探讨了Sn3.8Ag0.7Cu,Sn9Zn,Sn63Pb37三种钎料的模拟结果,焊点的应变曲线图显示,Sn63Pb37钎料焊点的等效应变最大,Sn9Zn钎料居中,Sn3.8Ag0.7Cu焊点的等效应变最小,表明Sn3.8Ag0.7Cu替代Sn63Pb37作为微元器件组装的组装材料具有更好的焊点力学性能.通过分析QFP64和QFP208两种器件焊点应力曲线图可以看出,QFP208器件焊点的应力值小于QFP64器件焊点的应力值,从而具有更高的可靠性.     

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.     

超低银SAC钎料焊点界面显微组织演化

研究了复合添加Ga/Nd元素的超低银Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料在长期时效过程中的微焊点界面组织演化情况. 结果表明,复合添加适量Ga/Nd元素可以显著改善时效后微焊点界面组织,抑制微焊点界面附近大块状金属间化合物以及稀土相的生成. 经720 h时效后,即使在含有过量Nd元素的微焊点界面仍没有发现明显的Ag₃Sn相和稀土相,取而代之的是小块状的新相,结合EDS和XRD分析结果推测该相含有Ga₂Nd与Cu₆Sn₅. 经过长期时效处理后,微焊点抗剪力接近Sn-3.8Ag-0.7Cu焊点抗剪力的90%,具有较好的力学性能.     

增强颗粒对Sn0.7Cu基复合钎料铺展性能的影响

以Sn0.7Cu共晶钎料作为基体钎料,通过添加微细金属颗粒(1μmAg、1μmNi和8μmCu)形成颗粒增强复合钎料。研究了增强颗粒对复合钎料铺展性能的影响,优选出Sn0.7Cu基复合钎料的最佳增强体。研究表明:Ni(3vol%)颗粒增强Sn0.7Cu复合钎料铺展性能差;Cu(3vol%)颗粒增强复合钎料铺展性能不如Ag(3vol%)颗粒增强复合钎料;对于金属颗粒增强Sn0.7Cu基复合钎料,Ag颗粒为最佳增强体。     

RE对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点性能的影响

利用X射线衍射分析仪(XRD)和JSM-5610LV扫描电镜(SEM)研究RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点界面区显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明:Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu6Sn5和靠近Cu基板侧Cu3Sn构成;添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织和改善钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸及形态;当RE添加量为0.1%时,焊点的剪切强度最高,蠕变断裂寿命最长。     

RE对微连接用SnAgCuRE钎料合金组织及性能的影响

以Sn2.5Ag0.7Cu系钎料合金为基础,添加少量的RE,研究RE添加量对合金组织、力学及物理性能的影响,以确定最佳RE添加量。     

Ni对SnAgCuRE钎料及其钎焊接头性能的影响

以商用Sn3.8Ag0.7Cu为参照系,研究了Ni对Sn2.5Ag0.7Cu0.1 RE钎料合金及其钎焊接头性能的影响。研究结果表明,添加0.05%(质量分数)Ni能在不降低Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金抗拉强度的同时显著提高其伸长率,是商用Sn3.8Ag0.7Cu的1.4倍;相应地钎焊接头的蠕变断裂寿命最长,为未添加Ni时的13.3倍,远高于现行商用Sn3.8Ag0.7Cu的,满足微电子连接高强韧高可靠性无铅钎料合金系的需求。     

Development of high strength Sn-0.7Cu solders with the addition of small amount of Ag and In

Nowadays, a major concern of Sn-Cu based solder alloys is focused on continuously improving the comprehensive properties of solder joints formed between the solders and substrates. In this study, the influence of Ag and/or In doping on the microstructures and tensile properties of eutectic Sn-0.7Cu lead free solder alloy have been investigated. Also, the effects of temperature and strain rate on the mechanical performance of Sn-0.7Cu, Sn-0.7Cu-2Ag, Sn-0.7Cu-2In and Sn-0.7Cu-2Ag-2In solders were investigated. The tensile tests showed that while the ultimate tensile strength (UTS) and yield stress (YS) increased with increasing strain rate, they decreased with increasing temperature, showing strong strain rate and temperature dependence. The results also revealed that with the addition of Ag and In into Sn-0.7Cu, significant improvement in YS (∼255%) and UTS (∼215%) is realized when compared with the other commercially available Sn-0.7 wt. % Cu solder alloys. Furthermore, the Sn-0.7Cu-2Ag-2In solder material developed here also exhibits higher ductility and well-behaved mechanical performance than that of eutectic Sn-0.7Cu commercial solder. Microstructural analysis revealed that the origin of change in mechanical properties is attributed to smaller β-Sn dendrite grain dimensions and formation of new inter-metallic compounds (IMCs) in the ternary and quaternary alloys.     

Rate-dependent behavior of Sn alloy–Cu couples: Effects of microstructure and composition on mechanical shock resistance

Solders serve as electrical and mechanical interconnects in electronic packaging. The mechanical shock behavior of a Pb-free solder joint is quite complex, since the influences of solder microstructure, intermetallic compound (IMC) layer thickness, and strain rate on the overall dynamic solder joint strength need to be quantified. Dynamic solder joint strength is hypothesized to be controlled by two factors. At low strain rates it should be controlled by the bulk solder, whereas at high strain rates it may be controlled by the brittle intermetallic compound layer. In this paper, the dynamic solder joint strength of Sn–3.9 Ag–0.7 Cu solder joints was experimentally measured over the strain rate range 10^?3–12 s^?1. The influences of changes in solder microstructure and IMC layer on dynamic solder joint strength were quantified, and visualized in three dimensions. Fracture mechanisms operating in the solder-controlled and IMC layer-controlled dynamic strength regimes are discussed. Finally, qualitative numerical simulations were conducted, which accurately depict the experimentally observed fracture behaviors.