无铅微焊点在热—力耦合条件下失效分析

发布时间：2017-10-13 17:38

  本文关键词：无铅微焊点在热—力耦合条件下失效分析

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【摘要】：随着对电子产品可靠性和使用寿命的要求越来越高，板级封装互联焊点可靠性研究已经受到广泛的关注。对于焊点可靠性的评估方面，目前主要从热学测试及力学测试两个方面进行评价。因此，本文从以下两个方面对无铅微焊点在热、力载荷条件下的失效进行了分析：对比了一种新型低银钎料Sn-Ag-Cu-Bi-Ni（SACBN07）与市场上的SAC305、SAC0307两种无铅钎料的抗冷热冲击性能利用纳米压痕试验等微观测试方法研究时效后界面组织及力学性能的变化；在振动载荷以及温度-振动载荷两种条件下，统计地分析了微焊点SAC305/Cu在不同载荷条件下的失效模式。应用自主设计智能数据采集分析系统表征了焊点的失效过程。具体研究内容及结果如下： 研究表明：SACBN07的抗冷热冲击性能最好，焊点失效后三种材料中裂纹的扩展路径不同，SAC305失效裂纹位于体钎料中，SACBN07钎料断裂位置逐渐由钎料基体转移到IMC层中，而SAC0307断裂位于界面IMC中；钎料中Bi、Ni元素的加入有效地抑制了IMC的生长，相同冷热冲击时间，SACBN07钎料中界面金属间化合物（IMC）厚度最薄；SACBN07体钎料的微区硬度受冷热冲击影响最小，时效后仅降低了8.6%，而SAC305与SAC0307分别降低了12.5%、28.3%。 在固频振动载荷条件下，微焊点主要呈现出三种失效模式：裂纹在体钎料内部扩展、裂纹在体钎料和IMC界面处扩展、裂纹在IMC和铜焊盘界面处扩展。在机械振动载荷条件下，微焊点裂纹易于在体钎料和IMC界面处产生，通过分析处理振动过程中焊点的监测数据，揭示了微焊点的失效过程即裂纹萌生、裂纹扩展和完全失效。在机械振动载荷作用下，随着振动加速度的提高，微焊点的寿命降低；在相同加速度条件下，PCB板边缘位置元件的寿命要低于中心位置元件的寿命。 设计了高温-定频振动两场耦合可靠性试验，应用两参数weibull统计分析方法和失效分析方法，探索了温度（25℃、65℃、105℃）对振动载荷作用下的微焊点寿命的影响。研究表明：温度由25℃升高105℃，振动载荷下的微焊点寿命显著提高；在两种温度条件下，裂纹形式均表现出三种模式：界面裂纹（裂纹产生在界面处的金属间化合物与铜焊盘之间）、体钎料裂纹（裂纹产生在体钎料处）和混合裂纹（界面裂纹与体钎裂纹），，但主要的失效模式明显不同。试验证明，在25℃下焊点主要失效模式为界面裂纹，呈现出脆性断裂特征；在105℃下焊点主要失效模式为体钎料裂纹，呈现出韧性断裂特征。
【关键词】：微焊点 智能数据采集 冷热冲击 振动 热力耦合
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG454
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题背景及意义11-12
• 1.2 焊点可靠性研究现状12-15
• 1.2.1 微焊点的抗冷热冲击性能研究12-13
• 1.2.2 振动对焊点可靠性影响研究13-14
• 1.2.3 热、力耦合对焊点可靠性影响研究14-15
• 1.3 课题的主要研究内容15-17
• 第2章 试验设备及分析方法17-24
• 2.1 引言17
• 2.2 冷、热冲击试验设备17-22
• 2.2.1 PCB 板设计18-19
• 2.2.2 冷热冲击试验夹具的设计19
• 2.2.3 焊点失效状态检测设备19-22
• 2.3 热、力载荷试验设备22
• 2.4 测试分析方法22-24
• 2.4.1 染色试验测试方法22-23
• 2.4.2 数据分析软件23-24
• 第3章 冷热冲击对三种无铅钎料寿命影响24-31
• 3.1 引言24
• 3.2 热冲击试验条件及方法确定24-25
• 3.3 焊点抗冷热冲击寿命对比25-26
• 3.4 焊点微区硬度对比26-27
• 3.5 IMC 的生长及断裂机制27-30
• 3.6 本章小结30-31
• 第4章 振动载荷对微焊点寿命影响31-37
• 4.1 引言31
• 4.2 微焊点失效过程31-32
• 4.3 微焊点的失效模式32-35
• 4.4 固频振动加速度与微焊点寿命之间的关系35-36
• 4.5 本章小结36-37
• 第5章 热、力耦合条件下微焊点的失效与寿命分析37-45
• 5.1 引言37
• 5.2 温度对 PCB 板一阶固有频率影响37-39
• 5.3 温度对微焊点寿命的影响39-41
• 5.4 热-力耦合条件下微焊点失效模式分析41-43
• 5.5 本章小结43-45
• 结论45-46
• 参考文献46-52
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文52-53
• 致谢53

【参考文献】

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1 褚卫华;李树成;;振动环境下焊点疲劳失效与裂纹扩展分析[J];强度与环境;2012年04期

本文编号：1026242