Influence of stress on the creep behavior of Cu particle enhancement SnPb based composite solder joints

1. Introduction Mechanical fracture of solder joints is a major cause of failure and it decreases the reliability in electronic systems. With the increased functionality, miniaturization of electronic components, broad op-eration temperature ranges, and increased stress re-quirement, good mechanical properties are de-manded on solder joints. The eutectic tin-lead solder, which has a low melting point (183°C), plays an important role in SMT (surface mount technology). The working temperature…     

纳米银颗粒增强复合钎料的研究

研究了纳米银颗粒增强锡铅基复合钎料的物理性能、工艺性能、力学性能和蠕变性能。通过在Sn-37Pb中加入不同含量的纳米银颗粒，测定比较复合钎料的性能，从而选择最佳加入量。结果表明，φ(Ag)=3％的纳米银颗粒的复合钎料综合性能最好，与Sn-37Pb共晶钎料相比，所加入的纳米银颗粒对住错起到了钉扎作用，从而提高了钎焊接头的蠕变寿命，其断裂形貌特征为延性和脆性混合断裂。     

SnCu钎焊接头稳态蠕变本构方程建立

以搭接面积为1 mm2微型单搭接钎焊接头为研究对象,采用新型高温蠕变测试装置,测定了Sncu钎焊接头应力指数n和蠕变激活能Q,构建了稳态蠕变本构方程,探讨了蠕变变形机制.结果表明,在低温高应力下,SnCu共晶钎料钎焊接头应力指数为8.73,激活能在59.1～63.2 kJ/mol,位错攀移运动主要受位错管道扩散机制控制;在高温低应力区,Sncu共晶钎料钎焊接头应力指数为6.45,激活能在88.4～97.5 kJ/mol,位错攀移运动主要由晶格自扩散机制控制.     

纳米Ag颗粒增强复合钎料蠕变性能的研究

制备纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料.研究不同温度载荷下复合钎料钎焊接头的蠕变断裂寿命,并与Sn-0.7Cu基体钎料钎焊接头进行对比.此外,确定纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料钎焊接头在不同温度和应力水平下的应力指数和蠕变激活能,建立复合钎料钎焊接头的稳态蠕变本构方程.结果表明,在不同的温度和应力下,与Sn-0.7Cu钎料钎焊接头相比,纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料钎焊接头的蠕变断裂寿命均有所提高,且具有更高的蠕变激活能,说明复合钎料钎焊接头具有更优的抗蠕变性能.     

应力对SnPb基复合钎料钎焊接头蠕变性能的影响

采用搭接面积为1mm^2的单搭接钎焊接头，研究了恒定温度下，应力对纳米颗粒增强的SnPb基复合钎料钎焊接头的蠕变寿命的影响。结果表明，纳米颗粒增强的SnPb基复合钎料的蠕变抗力优于传统SnPb钎料。同时钎焊接头的蠕变寿命随应力增加而降低，且应力对复合钎料钎焊接头蠕变寿命的影响较传统63Sn37Pb钎料明显。     

The influence of temperature on creep behavior of Cu particle enhanced SnPb based composite soldered joints

Creep property of solder alloys is one of the important factors to affect the reliability of soldered joints in SMT(surface mount technology). Particle-enhancement is a way to improve the properties of solder alloys and has caused much more attention than before. Temperatures applied to soldered joints are one of the primary factors of affecting creep properties of particle enhancement composite soldered joints. In this paper single shear lap creep specimens with a 1 mm2 cross-sectional area were fabricated using Cu particle enhancement 63Sn37Pb based composite soldered joints and 63Sn37Pb eutectic soldered joints to examine the influence of temperature on creep behavior of soldered joints. Results indicated that the creep resistance of soldered joints of Cu particle enhancement 63Sn37Pb based composite soldered joint was generally superior to that of the conventional 63Sn37Pb soldered joint. At the same time, creep rupture life of the composite soldered joint was declined with increasing temperature and drop faster than that of the conventional 63Sn37Pb eutectic soldered joint.     

The influence of temperature enhanced SnPb based on creep behavior of Cu particle composite soldered joints

Creep property of solder alloys is one of the important factors to affect the reliabdity of soldered joints in SMT （surface mount technology）. Particle-enhancement is a way to improve the properties of solder alloys and has caused much more attention than before. Temperatures applied to soldered joints are one of the primary factors of affecting creep properties of particle enhancement composite soldered joints. In this paper single shear lap creep specimens with a 1 mm^2 cross-sectional area were fabricated using Cu particle enhancement 63Sn37 Pb based composite soldered joints and 63Sn37 Pb eutectic soldered joints to examine the influence of temperature on creep behavior of soldered joints. Results indicated that the creep resistance of soldered joints of Cu particle enhancement 63Sn37Pb based composite soldered joint was generally superior to that of the conventional 63Sn37Pb soldered joint. At the same time, creep rupture life of the composite soldered joint was declined with increasing temperature and drop faster than that of the conventional 63Sn37 Pb eutectic soldered joint.     

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。     

基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测

Anand模型采用有限元法模拟WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu-X（Ce,Fe）无铅焊点在热循环载荷条件下的应力-应变响应,借助蠕变应变疲劳寿命预测模型SnAgCu,SnAgCuCe,SnAgCuFe焊点疲劳寿命.结果表明,在服役器件整体器件出现明显的变形现象,电路板翘曲严重.从中心到拐角焊点变形-应力-应变逐渐增加,芯片下拐角焊点成为整个结构潜在的危险区域.通过计算WLCSP器件SnAgCu、SnAgCuCe和SnAgCuFe三种焊点的疲劳寿命,证实了SnAgCuCe和SnAgCuFe焊点寿命明显高于SnAgCu焊点,证明了在SnAgCu中添加一定量的铈和铁可以显著提高SnAgCu焊点的使用寿命,分析结果为新型无铅钎料的研发提供理论支撑.     

Factors of effecting creep rupture of SMT solder joints

ＦａｃｔｏｒｓｏｆｅｆｆｅｃｔｉｎｇｃｒｅｅｐｒｕｐｔｕｒｅｏｆＳＭＴｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓＺｈｕＹｉｎｇ；ＦａｎｇＨｏｎｇｙｕａｎ；ａｎｄＱｉａｎＹｉｙｕ（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）ＣｕｉＤｉａｎｈｅｎｇ（Ｆｏｕｒｔ...     

不同体积无铅微尺度焊点的蠕变力学性能

采用基于动态力学分析仪的精密蠕变试验方法,对比研究了5.34×107 μm3与7.07×106 μm3两种体积相差近一个数量级的无铅Sn-3.0Ag-0.5Cu微尺度焊点的高温蠕变力学行为与蠕变性能.结果表明,所有微尺度焊点的蠕变曲线均呈现初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段.虽然微尺度焊点的体积存在较大差异,但是它们的蠕变激活能与蠕变应力指数均非常接近.此外,在相同的试验温度与拉伸应力作用下,大体积微尺度焊点的稳态蠕变速率相对小体积焊点更大,而蠕变寿命则呈现完全相反的趋势.     

电子互连无铅钎料及焊点蠕变行为研究进展

针对近年来无铅钎料及焊点的蠕变失效问题,综合评述了蠕变变形行为及其在焊点可靠性评估中的应用。首先系统地介绍无铅钎料的蠕变行为,探讨含合金元素/颗粒无铅钎料蠕变性能改性机制。其次评述焊点蠕变行为,探讨焊点成分以及不同基板材料对焊点蠕变特性影响的研究进展。再次结合具体电子器件,采用有限元模拟,分析基于有限元的焊点蠕变响应及疲劳寿命预测,评估焊点可靠性。最后针对无铅钎料及焊点蠕变行为的未来发展进行展望,分析其研究中存在的问题及解决办法,为焊点可靠性进一步研究提供理论支撑。     

纳米颗粒增强SAC0307锡膏焊点的分析

研究了纳米颗粒添加对低银SAC0307锡膏焊点显微组织和力学性能的影响.结果表明,添加纳米铜颗粒的焊点钎料共晶区中岛状Cu₆Sn₅相尺寸大、且难于弥散分布,添加量超过0.3%时,Cu₆Sn₅相极易在液/气界面聚集、合并和长大,导致钎料流动性变差、锡膏中助焊剂气体难于逸出而形成气孔.而添加0.1~5.0%纳米银颗粒的焊点均无气孔产生,其焊点钎料中的Ag₃Sn相尺寸小易于弥散分布,且β-Sn初晶相细化明显.随纳米银添加量的增加,焊点抗剪强度先增加后降低,0.5%添加量时抗剪强度最大、较相同条件下的SAC0307焊点提高了30.8%.     

RE含量及环境条件对SnAgCu钎焊接头蠕变断裂寿命的影响

采用搭接面积为1mm^2的微型接头，研究了Ce-La混合稀土（RE）含量和环境条件对Sn2．5Ag0．7CuxRE钎料钎焊接头蠕变断裂寿命的影响。结果表明：添加微量RE可改变钎焊接头界面层金属间化合物的几何尺寸及形态，从而影响SnAgCuRE钎料合金钎焊焊点的蠕变断裂寿命。当RE添加量为0.1％时（质量分数，下同），焊点界面金属间化合物尺寸小且均匀，蠕变断裂寿命最长，为SnAgCu焊点蠕变断裂寿命的8．4倍，其值明显高于商用钎料Sn3．8Ag0．7Cu焊点的蠕变断裂寿命。在相同条件下，焊点的服役温度升高、应力增加，将导致焊点的蠕变断裂寿命下降。     

升温速率对复合钎料显微组织和力学性能的影响

不同的钎焊工艺条件会对复合钎料中增强相颗粒（如Ni,Ag,Cu等金属颗粒）周围金属间化合物的形貌和尺寸产生影响,而增强相颗粒周围金属间化合物的尺寸又会对复合钎料的力学性能产生影响。在共晶Sn-3．5Ag钎料中外加微米级铜颗粒制成复合钎料,研究了不同的升温速率对复合钎料内部颗粒显微组织和力学性能的影响。结果表明,复合钎料中铜增强颗粒周围存在着厚度不均的金属间化合物层,不同的升温速率对这层金属间化合物的形貌基本没有影响,只会对其厚度尺寸有影响。此外,建立了不同升温速率与铜颗粒增强的Sn-Ag基复合钎料增强颗粒周围金属间化合物尺寸和力学性能的关系。     

Ag和Ni颗粒对63Sn37Pb力学性能和润湿性能的影响

锡铅钎料在电子工业中广泛应用。锡铅共晶或近共晶钎料熔点较低，钎焊工艺性能好，但抗蠕变性能差。作者运用弥散强化原理，分别选用1μm的Ag颗粒和Ni颗粒作为增强体，以63Sn37Pb为基体，制成金属颗粒增强的锡铅基复合钎料。在再流焊条件下，弥散分布的增强体与基体冶金结合，在增强体的表层形成-薄层金属间化合物，蠕变性能大幅度提高。试验证明，在相同条件下，与基体钎料63Sn37Pb相比，铺展面积略微下降，但Ag颗粒体积百分数为5％和10％的颗粒增强的锡铅基复合钎料的蠕变寿命分别提高8倍和6倍，同时抗拉强度和剪切强度均得到提高；Ni颗粒增强的复合钎料的蠕变寿命大幅度提高，Ni颗粒体积百分数为5％和10％的颗粒增强的锡铅基复合钎料的蠕变寿命分别提高了85倍和186倍，但润湿性能、剪切强度和延伸率均明显降低。     

基于纳米压痕法的无铅BGA焊点的循环力学行为

采用纳米压痕法通过循环加载卸载方式研究了最大载荷、循环次数及保载时间对Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu 2种钎料BGA焊点循环性能的影响.结果表明,Sn-Ag-Cu系无铅BGA焊点的循环性能具有很大的载荷依赖性,随着最大载荷的增加,BGA焊点的损伤累积增加且前几周循环中损伤累积很大,其后逐渐减小并趋于稳定;循环次数增加,使BGA焊点抵抗变形的能力稍有降低;保载时间增加,蠕变位移不断增加,蠕变和疲劳共同作用会加速焊点失效;Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料BGA焊点的能量损耗大于Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料BGA焊点.     

RE对SnAgCu钎料合金及焊点性能的影响

利用JSM-5610LV扫描电镜（SEM）及能谱分析（EDS）等测量方法,研究了微量RE对Sn-2.5Ag-0.7Cu无铅钎料的显微组织、润湿特性、拉伸强度及焊点剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明,向Sn-2.5Ag-0.7Cu中添加0.1%RE可明显细化钎料合金的显微组织,改善钎料合金的润湿特性,提高钎料合金的抗拉强度、伸长率及焊点剪切强度,增加焊点的蠕变断裂寿命。当RE添加量为0.5%时,由于形成了RE化合物而明显恶化钎料合金的性能。     

应变率对无铅焊锡接点力学行为的影响

对150℃条件下经过0,72,288,500 h等温时效的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊锡接点试样进行了应变率为2×10^-4,2×10^-2和2 s^-1的拉伸试验,研究了时效时间和应变率对焊锡接点抗拉强度和破坏模式的影响.结果表明,应变率对焊锡接点的抗拉强度有明显强化作用,抗拉强度随应变率的升高而增大.应变率从低到高的过程中,焊锡接点的破坏模式由焊料内部的韧性断裂逐渐转变为界面金属间化合物(intermetallic compound-IMC)层内的脆性断裂.     

低银SnAgCuBiNi无铅钎料润湿及溶解行为分析

对Sn0.8Ag0.5Cu2.0Bi0.05Ni（SACBN）和Sn3.0Ag0.5Cu（SAC305）无铅钎料的显微组织、润湿性能和溶解行为进行了比较研究.结果表明,SACBN钎料显微组织由β-Sn＋共晶体组成,共晶组织为在β-Sn基体上均匀分布细针状的Ag3Sn、粒状的（Cu,Ni）6Sn5和细小粒状的铋.在相同温...