电流密度对焊点蠕变行为影响的研究

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电子产品的微型化和多功能化进程不断加快,焊点的尺寸不断减小,焊点服役条件下所承受的力学、电学以及热学载荷随之逐渐增加,焊点的可靠性问题逐渐成为国内外学者研究的重点。目前国内外学者已经对电子封装中焊点的可靠性进行了大量的研究,但研究主要集中在单一因素比如说电迁移、蠕变、热疲劳等作用下的焊点的显微组织变化,对于不同因素之间的影响研究较少。焊点在常温下就会发生明显的蠕变现象,不同电子器件的服役电流密度是不同的,不同电流通过焊点时焊点的蠕变现象,比如说蠕变裂纹的形成和扩展、蠕变断裂的位置和形式等都会发生变化。所以,电流密度对焊点蠕变行为的影响成为了一个值得研究的课题。  本文以Sn-58Bi焊点和Sn-0.3Ag-0.7Cu焊点为对象,研究了单一蠕变条件下、蠕变+低电流密度(5×102A/cm2)条件下、蠕变+高电流密度(2×103A/cm2)条件下焊点的显微组织变化及失效后的断口形貌,得出电流密度对焊点蠕变行为的影响规律,主要分析对焊点在单一蠕变条件下裂纹的形成及扩展、断口位置及形貌的影响。本实验采用单剪搭接接头,其搭接面积为1mm2,焊点厚度为150μm。环境温度分别设定为50℃(Sn-58Bi)和100℃(Sn-0.3Ag-0.7Cu),蠕变载荷分别为恒定2MPa(Sn-58Bi)和5.5MPa(Sn-0.3Ag-0.7Cu),实验通过对比的方法分别进行不同电流密度、温度及应力三场的耦合实验。  通过对比分析可以得出如下结论:与单一蠕变条件相比,随着通过焊点的电流密度的增大,焊点的寿命逐渐降低;单一蠕变条件下、低电流密度+蠕变共同作用下焊点失效过程均由蠕变机制主导,失效形式为裂纹萌生扩展导致的韧性断裂;高电流密度和蠕变共同作用下焊点失效由电迁移机制主导,失效形式为焊点在靠近阴极处由于电迁移作用导致的脆性断裂;电流密度的作用改变了单一蠕变条件下焊点断裂失效的位置,随着电流密度的增大焊点断裂失效的位置逐渐向焊点的阴极处转移;随着电流密度的增加,焊点内部的Cu6Sn5颗粒形状逐渐由柱状转变为平面状。
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