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疲劳与蠕变是影响电子封装结构焊点寿命和可靠性的两大主要因素,疲劳失效与载荷幅值和循环频率密切相关,蠕变失效与温度和时间密切相关,这两种载荷分量在热循环过程中所占的比例及其耦合方式决定了电子封装焊点的失效机理和寿命。遗憾的是,目前所提出的分析模型并未将这两种载荷对失效的贡献明确区分,也未能表征两种载荷的相关参量对失效和寿命的影响,亦未能提出两种载荷的科学耦合方法,在实际中常常以两种载荷共同作用时对应变、应变能密度、损伤等的最终影响的表观参量来评判电子封装的寿命和可靠性,其结果一方面不能反映问题的本质,也必然有较大的误差和局限性。 识别焊点在特定环境下失效的主导因素,实现疲劳与蠕变的解耦,明确疲劳参量对焊点疲劳寿命和失效机理的影响,澄清焊点的疲劳破坏机理在有无蠕变作用参与时的异同就显得尤为重要。针对目前电子封装结构焊点可靠性方面的问题,本文进行了无铅焊点热力耦合破坏中疲劳行为的研究。 首先,在25℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行了不同驻留时间和加载速率条件下的低周疲劳试验,研究室温条件下焊点破坏的主导因素。结果表明:室温条件下,时间相关的蠕变变形对疲劳寿命的影响很小,焊点的破坏主要依靠时间无关的塑性变形。随着加载速率的升高,焊点的疲劳寿命逐渐降低,瞬断区断裂机制由沿晶断裂向穿晶断裂转变。 其次,在25℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行了不同应变范围和频率条件下的低周疲劳试验,研究疲劳参量对焊点疲劳行为的影响。结果表明:无铅焊点的低周疲劳行为符合Coffin-Manson方程,频率修正的Coffin-Manson方程可以用来描述频率对无铅焊点低周疲劳行为的影响。疲劳裂纹首先在焊点边缘钎料与IMC层之间的界面处萌生,然后,沿近IMC层的钎料内部进行扩展。焊点的断口形貌主要分为:裂纹萌生区、裂纹扩展区和最终断裂区。随着加载频率的升高,焊点的断裂机制由沿晶断裂向穿晶断裂转变。 最后,在125℃下,利用动态机械热分析仪(Dynamic Mechanical ThermalAnalysis)对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行了不同应变范围和频率条件下的高温低周疲劳试验,对比焊点高低温疲劳行为的异同。结果表明:焊点的高温疲劳破坏过程主要分为:应变强化阶段、稳定变形阶段和加速破坏阶段。高温疲劳裂纹在焊点端部的钎料与基体之间的界面处萌生后,沿一定角度向钎料内部扩展。断口表面有明显的孔洞和韧窝形貌,并呈现出韧脆混合断裂的模式。