低银Sn-Ag-Cu无铅钎料焊点热可靠性研究

发布时间：2017-10-27 12:13

  本文关键词：低银Sn-Ag-Cu无铅钎料焊点热可靠性研究

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【摘要】：在世界范围内,由于无铅钎料的高成本和低可靠性限制了电子产品无铅化的进程,降低Sn-Ag-Cu无铅钎料的银含量,已成为电子封装无铅化的重要共识。因此,高性价高可靠性的低银无铅钎料及其焊点的研究具有重要的科学意义和应用前景。本文通过添加微量Ni和P元素,研制了低银Sn-0.45Ag-0.68Cu-Ni-P(SAC-Ni-P)钎料,对钎料性能和焊点热可靠性进行了系统研究,并分析了应用于印制电路板(PCB)贴装焊点的失效机理。对低银SAC-Ni-P钎料的漫流性、润湿性和力学性能进行了研究,并与Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag-0.7Cu和Sn-37Pb三种钎料进行了对比分析。结果表明:低银SAC-Ni-P钎料具有良好的综合性能,四种钎料漫流性和润湿性大小值依次为Sn-37PbSn-3.5Ag-0.6Cu低银SAC-Ni-PSn-0.7Cu;在力学性能方面,低银SAC-Ni-P钎料的抗拉强度与Sn-3.5Ag-0.6Cu钎料接近,而延伸率是Sn-3.5Ag-0.6Cu的1.89倍。对Cu/低银SAC-Ni-P/Cu对接焊点进行了热时效、热冲击和热循环三种热可靠性加速试验,结果表明:界面IMC的生长速率主要受原子的扩散速率所控制,随着时效时间的增加,界面IMC厚度的增长符合抛物线规律,IMC形貌由细小的锯齿状向平缓的大波浪状转变;在75℃、100℃和150℃下,IMC的生长速率系数分别为0.61×10-14cm2/s,2.06×10-14cm2/s和4.83×10-14cm2/s,其IMC的生长激活能为33.75kJ/mol;焊点的剪切强度随着时效时间的增加而降低,温度越高,下降越快,由于第二相及基体组织的长大,其断裂模式由韧性断裂向局部脆性断裂转变。热冲击和热循环试验结果类似,随着冲击(循环)周期的增加,由于温度和热应力的共同作用,使得界面IMC厚度不断增厚,其形貌由细小的锯齿状变为大波浪状;热应力会加速缺陷的聚集和长大,使裂纹萌生,导致随着冲击(循环)周期的增加,焊点剪切强度呈抛物线降低,由于热循环周期较热冲击周期少,剪切强度下降没有热冲击明显,其断裂模式由塑性断裂向沿晶断裂转变。此外,通过对焊点施加一定的剪切载荷以模拟服役过程中的热应力,同时进行了热循环和热冲击试验,结果表明,在实验条件下,加载载荷对焊点显微组织及IMC厚度形貌等无明显影响,但会使焊点剪切强度进一步降低。利用ANSYS有限元模拟软件研究PCB板贴装焊点的失效机理,结果表明,PCB板贴装焊点裂纹在元器件与Cu焊盘焊接界面处萌生,与有限元模拟焊点应力应变最大区域吻合,后裂纹沿着Cu焊盘界面扩展,脆性相Cu6Sn5的长大,加速了焊点的失效。试验及模拟证明,低银SAC-Ni-P钎料可以满足PCB贴装焊点可靠性的要求。
【关键词】：低银SAC-Ni-P钎料 无铅焊点 金属间化合物 热可靠性 ANSYS有限元模拟
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG425;TG454
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-23
• 1.1 无铅钎料研究现状10-16
• 1.1.1 常用无铅钎料分类及性能对比10-11
• 1.1.2 低银无铅钎料研究现状11-16
• 1.2 低银Sn-Ag-Cu无铅焊点可靠性16-21
• 1.2.1 焊点可靠性研究意义及研究问题16-17
• 1.2.2 低银SAC无铅焊点热可靠性加速试验研究现状17-21
• 1.3 课题意义及研究内容21-23
• 2 试验方法与步骤23-29
• 2.1 钎料制备及钎料性能测试23-24
• 2.1.1 钎料熔炼23
• 2.1.2 漫流性试验23
• 2.1.3 润湿平衡试验23-24
• 2.1.4 力学性能试验24
• 2.2 热可靠性试验24-27
• 2.2.1 焊点制备24-25
• 2.2.2 热时效试验25-27
• 2.2.3 热冲击试验27
• 2.2.4 热循环试验27
• 2.3 PCB板贴装焊点热冲击试验及ANSYS模拟27-29
• 2.3.1 PCB板贴装焊点热冲击试验27-28
• 2.3.2 ANSYS模拟试验28-29
• 3 低银SAC-Ni-P无铅钎料的性能研究29-35
• 3.1 钎料漫流性研究29-31
• 3.2 钎料润湿性研究31-33
• 3.3 钎料的力学性能研究33
• 3.4 本章小结33-35
• 4 低银SAC-Ni-P无铅焊点的热可靠性35-54
• 4.1 低银SAC-Ni-P无铅焊点的热时效35-42
• 4.1.1 时效对焊点界面IMC组织的影响35-37
• 4.1.2 界面IMC的生长速率及其激活能37-39
• 4.1.3 时效对焊点力学性能的影响39-42
• 4.2 低银SAC-Ni-P无铅焊点的热冲击42-46
• 4.2.1 冲击周期对焊点显微组织的影响42-43
• 4.2.2 冲击周期对IMC形貌及厚度的影响43-44
• 4.2.3 冲击周期对焊点剪切强度的影响44-46
• 4.3 低银SAC-Ni-P无铅焊点的热循环46-50
• 4.3.1 循环周期对IMC形貌及厚度的影响46-48
• 4.3.2 循环周期对焊点剪切强度的影响48-50
• 4.4 低银SAC-Ni-P无铅焊点的热可靠性综合分析50-53
• 4.4.1 试验时间对界面IMC生长的影响50-51
• 4.4.2 试验时间对焊点剪切强度的影响51-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 PCB板贴装焊点热冲击试验及ANSYS模拟研究54-64
• 5.1 模型的建立和参数的选择54-56
• 5.1.1 构建模型54-55
• 5.1.2 定义材料属性55
• 5.1.3 边界条件和温度加载条件55-56
• 5.2 模拟结果及分析56-61
• 5.2.1 焊点应力分析56-59
• 5.2.2 焊点的应变分析59-61
• 5.3 PCB板贴装焊点热冲击试验61-63
• 5.4 本章小结63-64
• 结论64-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 肖慧;李晓延;李凤辉;;热循环条件下SnAgCu/Cu焊点金属间化合物生长及焊点失效行为[J];材料工程;2010年10期

2 杜长华,陈方,杜云飞;Sn-Cu、Sn-Ag-Cu系无铅钎料的钎焊特性研究[J];电子元件与材料;2004年11期

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本文编号：1103436