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随着各国政治和经济相关政策的出台,电子工业领域中无铅化的呼声越来越高。近年来所研究的合金钎料中,Sn基无铅钎料由于其良好的的性能被公认为含铅钎料的替代品。但同时电子产品微型化发展,焊点尺寸随之减小,作为支撑、通电和散热媒介,焊点所承受的力学、电学和热力学载荷越来越重。由此产生的一些问题,如蠕变、热疲劳以及电迁移等突显出来,这就要求无铅钎料具有较高的服役可靠性。
疲劳是一个复杂的过程,它由塑性变形下导致的疲劳机制和焊点在周期性载荷作用下的蠕变变形机制共同作用。这种复杂的损伤过程也被成为蠕变疲劳。在不同的环境条件下,电子产品在服役过程中同样会经历一个周期性变化的温度载荷,这种周期性变化的温度载荷决定了在热疲劳过程中电子产品的服役寿命。电阻法测量电阻率和电阻阻值由于其可将传统的两电极法中的接触电阻降到最小,而被广泛应用于工业生产中。利用电阻法测量电导率和电阻阻值变化,监测焊点的可靠性对于预防电子产品在极端服役条件下的失效具有重要的实际意义。
电子产品中的实际焊点通常被视为一个复合结构,包括基板、基板与钎料间形成的界面处金属间化合物层、钎料,金属间化合物以及引线。结构中每一个组成部分具有不同的热性能和机械性能。本文研究了热疲劳过程中纯Sn、不同Sn基合金钎料和钎焊接头电导率的变化以及印刷线路板电阻阻值变化。研究中通过不同热疲劳周期后电导率及电阻阻值的变化,结合显微组织和力学性能确定了焊点在不同热疲劳周期后焊点结构中微裂纹的萌生,扩展及疲劳损伤特征。热疲劳过程中电导率在前期下降明显,之后逐渐保持稳定。合金钎料和钎焊接头结构中,电导率下降30%时微裂纹在焊点表面萌生;电导率下降45%时,微裂纹开始逐渐扩展并伴有条状疲劳带产生。印刷线路板电阻阻值增大1%时,裂纹开始萌生;当阻值增大5%时,焊点表面出现晶界分离现象。造成电导率下降和疲劳损伤的原因主要是Sn的各向异性和焊点结构导致的热膨胀系数不匹配。
本文研究了热冲击、125℃等温时效和-40℃等温时效过程中,纯Sn、不同Sn基合金钎料和钎焊接头电导率的变化以及印刷线路板电阻阻值变化。通过不同热冲击周期后电导率及电阻阻值的变化,结合显微组织和力学性能确定了焊点在不同热冲击周期后焊点结构中微裂纹的萌生,扩展及疲劳损伤特征;研究了热冲击过程对焊点电阻的影响。通过不同时效时间后纯Sn、不同Sn基合金钎料和钎焊接头电导率的变化以及印刷线路板电阻阻值变化和显微组织特征,探究了焊点在不同热条件下表面损伤的原因。热冲击过程中合金钎料和钎焊接头电导率呈现先下降后稳定的趋势,电导率下降25%时裂纹开始萌生,裂纹逐渐扩展时电导率下降35%。125℃等温时效过程中,电导率基本保持稳定。-40℃等温时效过程中,合金钎料及钎焊接头电导率产生波动,断口形貌分析表明韧脆转变出现在-40℃等温时效过程中。