无铅微焊点在热-力耦合条件下失效分析

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1、哈尔滨理工大学工学硕士学位论文无铅微焊点在热-力耦合条件下失效分析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/C

2、u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、.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

4、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-I-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文式：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-II-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文FailureAnalysisofLead

5、-freeSolderJointsunderTemperature-VibrationCouplingAbstractWiththewideapplicationofelectronicproducts,thereliabilityandtheservicelifeofthemishighdemandedincreasingly.ThermalshockresistanceperformanceofSn-Ag-Cu-Bi-Ni（SACBN07）,SAC305andSAC0307isconductedandcomparedinthisstudy.Thisexperimenta

6、lsotakestheSAC305solderascarriertostudythefailureoflead-freesolderjointundermechanicalvibration/thermal-mechanicalloading.ThisArticleusesindependentdesigndigitaldataacquisitionsystemtoindicatethefailureprocessofsolderjointandcompareslifeofmicrosolderjointindifferentlocationsofPCBboardatthe

7、sametime.ResearchshowsthatSACBN07showsthebestthermalshockresistancecomparedtotwoothersolder.Andthreetypesofsoldersexhibitdifferentcrackpropagationpathsduringthermalshocktest.CrackforSAC305initiatesandpropagatesinthebulksolder.CrackforSACBN07propagatesfromthebu