Failure mechanism of Pb-bearing and Pb-free solder joints under high-speed shear loading

The failure behaviors of ball grid array (BGA) solder ball joints under the various loading speeds of the high-speed shear test were investigated both experimentally and with non-linear, 3-dimensional finite element modeling. Conventional Sn-37Pb and Pb-free, Sn-3.5Ag solder alloys were used to compare the failure behaviors. Far greater shear forces were measured by the high-speed shear test than by the low-speed shear test. The shear force further increased with increasing shear speed, mainly due to the high strain-rate sensitivity of the solder alloys. Brittle interfacial fractures were more easily achieved by the high-speed shear test in the Sn-3.5Ag solder joints, especially at higher shear speed. This result was discussed in terms of the relationship between the strain-rate of the solder alloy, the work-hardening effect, and the resulting stress concentration in the interfacial regions. However, no transition of the failure mode was observed in the high-speed shear test of the Sn-37Pb solder joints.     

窄节距焊料凸点成形及焊盘尺寸对抗剪强度和微观组织的影响

通过优化模板印刷工艺实现了窄节距无铅焊料凸点成形,并观察了凸点形貌、高度以及评估成形的焊料凸点性能. 利用拉力剪切力试验机对凸点进行剪切力测试,研究焊盘尺寸对凸点抗剪强度的影响,同时观察了断口形貌,最后对凸点内部及界面处的金属间化合物(intermetallic compound,IMC)进行了观察. 结果表明,小尺寸焊盘的凸点较高、均匀性较好,抗剪强度表现出随焊盘尺寸减小而减小的尺寸效应,并从剪切受力和IMC分析尺寸效应的成因. 其中大尺寸焊盘的凸点界面IMC形貌为扇贝状,而小尺寸焊盘的界面IMC为针状,容易导致应力集中而降低抗剪强度.     

铜柱栅阵列互连结构的剪切行为

鉴于柔性铜柱与钎料球显著的性能差异,采用试验和数值模拟方法研究了铜柱栅阵列互连结构的剪切行为.结果表明,与焊球抛物线形的剪切曲线相比,阵列铜柱互连剪切曲线呈现不同的新特征,随剪切位移增加,剪切力首先呈大斜率的线性增加;随后由于焊柱开始挠曲变形,位移增加引起的应力增加被部分释放,故剪切力呈小斜率的线性增加;最后阶段,与BGA焊球相同,剪切力呈抛物线形变化,并在钎料/铜柱界面拉脱断裂.第一、二阶段曲线斜率均随铜柱长径比的增加和铜焊柱刚度的降低而减小.     

Fe粉对Sn-3Ag-0.5Cu复合钎料组织及性能的影响

通过在钎料中添加Fe粉颗粒,研究其对Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料的黏度、熔点、钎焊接头界面微观组织、与Cu基板之间的润湿性及焊点力学性能的影响。结果表明:微米级Fe粉的添加增加了复合钎料焊膏单位体积内焊粉的接触面积,使得焊膏内摩擦力增大,导致复合钎料焊膏的黏度增加;微米级Fe粉的添加对Sn-3Ag-0.5Cu钎料的熔化特性没有显著影响;钎焊时,由于重力偏聚及界面吸附作用,Fe粉颗粒集中沉积于Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu钎焊接头界面处靠近钎料一侧,由于增大液态钎料黏度而导致钎料与Cu板间的润湿性降低;与Sn-3Ag-0.5Cu/Cu相比,Sn-3Ag-0.5Cu-Fe/Cu界面处钎料一侧粗大的β-Sn枝晶区消失,取而代之的是细小的等轴晶。Sn-3Ag-0.5Cu-1%Fe/Cu的剪切强度为46 MPa,比Sn-3Ag-0.5Cu/Cu剪切强度提高39%;靠近界面金属间化合物处钎料基体的显微硬度提高约25%。     

Effect of diode-laser parameters on shear force of micro-joints soldered with Sn-Ag-Cu lead-free solder on Au/Ni/Cu pad

1Introduction With low cost,Sn-Pb alloy has been widely used in electronic packaging on account of its low melting temperature and good wettability on substrates,such as Cu and Au/Ni/Cu pads.However,Pb and its compounds in the Sn-Pb solder are harmful to …     

Sn-3.0Ag-0.5Cu-xNi无铅焊料及焊点的性能

研究了Ni元素对Sn-3.0Ag.0.5Cu无铅钎料熔点、润湿性、拉伸性能及焊点性能的影响.结果表明,镍的添加对Sn-3.OAg-0.5Cu钎料的润湿性有所改善,添加量为0.03%～0.1%时,随着镍含量的增加,润湿时间逐渐递减,润湿力逐渐增大,镍含量在0.05%时润湿时间最短,镍含量在O.1%时润湿力最大.但当镍含量到0.15%时,润湿时间反而增长,润湿力下降;镍提高了合金的抗拉强度、断后伸长率及焊点的抗剪强度.当镍含量为0.05%时,抗拉强度最高,当镍含量为0.1%时,断后伸长率和抗剪强度最高,扫描断口表现为明显的韧性断裂特征;镍的添加量为0.05%~0.1%效果较好.     

加载速率对SnAgCu钎焊接头抗剪强度的影响

研究了加载速率对SnAgCu(SAC)无铅钎料钎焊接头抗剪强度和断裂模式的影响,试验钎料的Ag元素含量为1%～3%(质量分数),微拉剪接头的加载速率为0.01～10mm/s.结果表明,当加载速率小于1mm/s时,抗剪强度随加载速率的增大而增大,断裂模式为发生在接头钎料内部的延性断裂.当加载速率增大到10mm/s时,其抗剪强度反而减小,断裂模式为发生在界面金属间化合物层的脆性断裂.另外,在加载速率较低时,抗剪强度随Ag元素含量的增加而增加;但在较高加载速率下,Ag元素含量为2%的钎料接头抗剪强度最低.     

BiAgNiCuGe/Cu接头抗剪强度与断口分析

利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDX)、电子拉伸试验机对Bi-x Ag-O.4Ni-0.2Cu-0.1Ge(x=2,5,8,11,14)高温无铅钎料/铜接头进行了界面微观组织分析、抗剪强度测试及剪切断口分析.结果表明,界面微观组织由初生Ag原子、初晶Bi原子和共晶组织组成,还有少量的NiBi3相.随着钎料中Ag元素含量的提高,微观组织中初生Ag原子数量逐渐增多,宏观性能上接头抗剪强度提高.初生Ag原子能够阻碍钎料中裂纹的扩展,使得接头的强度提高.钎料与铜基板之间没有金属间化合物生成,它们之间的连接主要是通过液态钎料原子向铜基板晶界扩散.钎料中的Bi原子向铜基板晶界的扩散程度高于Ag原子.钎料与铜基板界面的连接处为接头薄弱区,是剪切断裂的起点.     

异步轧制对3004铝合金变形织构及制耳率的影响

以３００４铝合金为实验材料，研究了异步轧制对该合金的变形织构以及相应的制耳率的影响。实验表明：异步轧制和同步轧制板的主要变形织构是相同的，均为纯铜型织构｛１１２｝＜１１１＞＋｛２１３｝＜３６４＞＋｛１１０｝＜１１２＞，但异步轧制产生的变形织构较同步轧制的强度高，且随异步轧制速比的提高而增强。同时，异步轧制的板材中还出现｛００１｝＜１１０＞织构。另外，在相同压下率的情况下，异步轧制板材的深冲制耳率均大于同步轧制的制耳率     

加载速率和钎料厚度对SnAgCu/Cu焊点剪切行为影响

采用四种加载速率(1,0.1,0.01,0.001 mm/s),对四种钎料厚度(0.1,0.2,0.3,0.6 mm)的SnAgCu/Cu搭接焊点进行了剪切破坏试验,分析了不同加载速率以及钎料尺寸对焊点抗剪切性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了剪切试样断口形貌、裂纹的萌生位置及扩展路径,阐释了SnAgCu/Cu焊点断裂失效机理. 结果表明,加载速率在0.001~1 mm/s范围内,焊点抗剪切强度随加载速率的增加而增大,不同加载速率条件下焊点的断裂模式都为韧性断裂. 不同钎料厚度的SnAgCu/Cu焊点随着焊点厚度的减小,其抗剪切性能提高,表现出明显的体积效应,其裂纹萌生位置逐渐由焊点内部向IMC层转移. 焊点断口形貌为拉伸撕裂型伸长韧窝和剪切平面,断裂机理为微孔聚集型-纯剪切复合断裂.     

BGA单板结构与板级结构焊点剪切力学行为分析

采用试验方法研究BGA封装结构中焊点的剪切力学行为. 分析并比较了Sn-3Ag-0.5Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La和Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La-0.05Ce四种钎料焊点在单板结构与板级结构中的力学性能. 结果表明, 单板结构中焊点的抗剪强度高于板级结构中焊点的抗剪强度. 在单板结构中,高银焊点的抗剪强度最大,加入稀土元素的低银焊点只是得到了一定程度上的改善,然而对于板级结构,加入稀土元素的低银焊点剪切力学性能基本与高银焊点相当. 在同等拘束条件下,低银焊点的延展性优于高银焊点. 此外,对于同一种钎料而言,单板结构中的焊点断裂在体钎料上,而板级结构则断裂在IMC/体钎料界面处.     

CuZnAl记忆颗粒对黄铜/锡/黄铜焊点组织与性能影响

研究了不同压力条件下(0.2 N，50 N)瞬时液相键合0.5%亚微米CuZnAl记忆颗粒对黄铜/锡/黄铜焊点组织和性能影响. 发现0.5%亚微米CuZnAl记忆颗粒对界面组织有一定的抑制作用，主要归因于亚微米颗粒的存在减小了元素之间的扩散速率. 另外相对0.2 N压力条件下，50 N压力下由于元素剧烈扩散易于使界面出现大量的空洞，而0.2 N压力界面组织则较为均匀，并且未出现明显的空洞. 力学性能结果表明，添加0.5%亚微米CuZnAl记忆颗粒，焊点的剪切力提高20%~25%. 在0.2 N压力、250 ℃保温10 min，随后200 ℃保温1 100 h可以将黄铜/锡-CuZnAl/黄铜焊点完全转化为金属间化合物，并未发现明显的空洞.     

BGA焊点剪切性能的评价

设计了用单个微焊球和两块带焊盘的FR4板焊接而成的搭接接头,研究了不同稀土含量及不同加载速率对接头强度及塑性的影响.结果表明,微量稀土(质量分数＜0.25%)不但能提高焊点的剪切强度,而且可以改善焊点的塑性.而当稀土含量进一步增加时,焊点的强度及塑性均下降.焊点的剪切强度及伸长量随应变速率的增加而增加.通过对焊点显微组织的分析可知,微量稀土可显著细化焊点的显微组织,特别是抑制了钎料内部及界面处金属问化合物的生长,从而改善了焊点的力学性能.对断口形貌的分析同样证明了伸长量随剪切速率增加而增加.     

Sn-9Zn系无铅焊料钎焊接头剪切性能的研究

利用扫描电镜及万能材料实验机研究了Sn-9Zn/Cu钎焊接头的界面形貌及Sn-9Zn焊料微合金化前后钎焊接头的剪切性能变化。结果表明,Sn-9Zn/Cu界面金属间化合物为Cu5Zn8,界面层呈平整的锯齿状。由于焊接时没有保护气氛,以致Sn-9Zn氧化而使剪切性能变差,而同时添加微量RE和Ag或RE和Al元素后剪切强度大幅度增高,尤其是添加0.025%RE和0.3%Ag时剪切强度可提高46.47%,同时添加元素后剪切断口韧性断裂趋势增大。     

Properties analysis of a new type of solder paste SACBN07

In this work,the wettability,aging and shear properties of a new type of lead-free solder paste Sn-07Ag-05Cu + BiNi (SACBN07) was investigated by conducting a series of comparison experiments with SAC305 and SAC0307 solder paste.The results show that weuability of SACBN07 is almost equal to SAC305,and better than that of SAC0307 solder paste.The thickness of intermetallic compound (IMC) layer in SACBN07/Cu is lower than that of other two types of solder joint after aging.And Cu3Sn layer of SACBN07/Cu is thinner than that of SAC305 and SAC0307.In addition,the SACBN07 solder joints perform the best shear strength among these three types of solder pastes.     

Nd对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点高温可靠性的影响

通过研究150 ℃时效条件下Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力变化和界面微观结构演变,探讨稀土元素Nd对焊点高温可靠性的影响及其影响机制. 结果表明,不同时效时间后Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力明显高于Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点,且时效过程中Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力的下降速率低于原焊点. 这是由于0.05%Nd可将界面原子扩散系数由1.88 × 10?10 cm2/h降低至1.10 × 10?10 cm2/h,即通过抑制界面金属间化合物的粗化来提高焊点的高温可靠性.     

不同剪切速率下锡银铜系/镍金焊点的断裂行为研究

对锡银铜系高可靠性焊料合金的研究虽然已经较为广泛,但是缺乏对其焊点在不同应变速率下的剪切强度和断裂模式的研究。本文将牌号为SAC305和Innolot不同成分的锡银铜系焊料合金锡膏印刷在镍金镀层(Ni(P)/Au)上回流成BGA焊点,采用DAGE 4000 HS焊接强度测试仪进行不同剪切速率下的剪切性能测试,并对其剪切曲线、剪切强度及断裂能进行计算和分析,再采用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对焊点界面微观结构及断口进行表征分析。结果表明：合金本身成分的差异导致焊点界面金属间化合物层(IMC层)厚度和分布存在差异,随着剪切速率的增加,SAC305和Innolot合金焊点的强度总体上都随之增加,且焊点的断裂模式由焊点基体内部的韧性断裂向界面金属间化合物脆性断裂发生转变,Innolot合金由于其他金属元素添加导致的强化作用使得其剪切强度得到较大提升而塑性损伤。     

SnAgCu/Cu和SnAgCu/Au/Ni/Cu表面贴装元件焊点高温存贮试验分析

研究了SnAgCu／Cu及SnAgCu／Au／Ni／Cu表面贴装元件焊点在高温存贮试验条件下抗剪强度的变化规律。结果表明，SnAgCu／Cu及SnAgCu／Au／Ni／Cu焊点抗剪强度随保温时间的延长降低，SnAgCu／Cu焊点的抗剪强度高于SnAgCu／Au／Ni／Cu焊点的抗剪强度。SnAgCu／Cu及SnAgCu／Au／Ni／Cu焊点的断口形貌分析表明，断裂大多数都发生在贴装元件端头金属化层内，少数发生在钎料与焊盘的界面以及焊点内部。     

Shear strength and aging characteristics of 63Sn−37Pb solder bumps with various solder ball and pad sizes

The shear strength and aging characteristics of 63Sn–37Pb solder bumps were characterized with variation in solder ball and UBM pad sizes. The shear strength increased with shorter effective crack size,a _effs which was determined with the solder ball and pad sizes. The shear strength of the solder bumps on Au/Ni/Cu and Ni/Cu did not change significantly with reflow time. Substantial decrease in the shear strength occurred for the solder bumps formed on Au/Ni/Cu with aging treatment, and the shear strength after aging was also related to the bump shape which was determined with the solder ball and pad sizes.     

矩形片式电阻元件的半导体激光软钎焊技术

采用Sn-Ag-Cu作为钎焊材料,研究了矩形片式电阻元件的半导体激光软钎焊技术,采用微焊点强度测试仪研究了其力学性能.结果表明,当激光钎焊时间固定时,随着激光输出功率的增加,电阻焊点的剪切力呈现增加的趋势,在某一功率左右达到最大值.随着激光钎焊时间的增加,其所对应的最佳激光输出功率逐渐减小,最佳的激光钎焊时间为1s.对比试验结果表明,激光软钎焊的最佳工艺参数组合所得到的片式电阻焊点力学性能优于采用传统红外再流焊工艺所获得的片式电阻焊点的力学性能.