基于载荷与失效双解耦的无铅焊点热力耦合破坏研究

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随着电子封装结构朝着小型化发展,封装集成度越来越高,使得焊点的间距越来越小,导致焊点可靠性问题愈发严重。长寿命是电子封装结构的基本要求,焊点的寿命预测在焊点可靠性评价中占据着重要地位。一般来讲,焊点在服役过程中,主要承受热力耦合的加载条件。一方面,由于钎料的熔点较低,高温条件下,焊点内部会逐渐累积蠕变损伤。另一方面,由于焊点连接的封装结构各部分热膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)不同,热循环过程中焊点连接各部分变形不一致,进而引发疲劳失效,也即焊点的失效是蠕变及疲劳共同作用下导致的。现有的焊点寿命评价模型诸如基于塑性应变的Coffin-Manson模型或其修正模型、基于蠕变应变的Syed模型等均以单一的变量为寿命表征参量,未明确区分焊点热力加载下实际存在的蠕变损伤及疲劳损伤,未能反映焊点的失效本质。  在认识到上述问题后,本研究采用解耦的方法,力图提出区分蠕变与疲劳的耦合寿命模型。所谓解耦即针对焊点实际的热力耦合加载条件,将其分离为蠕变加载和疲劳加载,相应的焊点失效,分离为蠕变失效和疲劳失效。蠕变变形与疲劳塑性变形的机制不同,蠕变变形是与时间相关的函数,引发沿晶失效;而疲劳塑性变形与时间无关,导致穿晶失效。因此,一定加载条件下,蠕变应变与疲劳塑性应变的累积区间不同。本文首先采用有限元计算的方法,针对简化了的电子封装结构,研究了不同热循环加载参数对Sn3.5Ag0.5Cu焊点蠕变应变与疲劳塑性应变累积的影响,以确定蠕变应变与疲劳塑性应变的主要累积区间,实现蠕变与疲劳加载的解耦。此后,研究焊点纯蠕变失效机理,包括不同变形机制下的断口形貌及不同蠕变阶段焊点的损伤演变观察。建立了焊点相应的蠕变寿命模型,进而构建单位时间内累积的蠕变寿命损失即蠕变寿命损失分数。而后建立纯疲劳加载下的疲劳寿命损失分数,即单位周次内累积的纯疲劳寿命损失。最后研究焊点在蠕变疲劳耦合加载下的失效机理,包括不同蠕变疲劳耦合加载下的断裂模式识别,断口形貌及失效路径观察。在识别耦合失效机理后,在蠕变寿命损失分数及疲劳寿命损失分数基础上,根据线性损伤累积准则构建蠕变疲劳耦合寿命模型。基于试验数据,对模型有效性进行验证,采用交互曲线法及增加交互项的方法对其做了进一步修正。  通过本文研究发现,驻留时间和升降温速率对焊点蠕变应变及疲劳塑性应变的累积有显著的影响。高加载速率条件下,蠕变应变主要在温度驻留阶段累积,而疲劳塑性应变主要在升降温阶段累积。焊点在蠕变加载条件下,β-Sn枝晶与共晶组织界面是焊点的薄弱地带,易发生分离。近金属间化合物层的钎料体内易萌生空洞,裂纹易沿含空洞的最小承载面扩展。在对数坐标下,焊点稳态蠕变速率与蠕变断裂寿命之间满足线性关系,建立了焊点的蠕变寿命模型。焊点的蠕变断裂延性与稳态蠕变速率有关,在很大范围内,随着稳态蠕变速率的增加,断裂延性逐渐增大。建立了焊点稳态蠕变速率与蠕变断裂延性之间的表达式。  焊点在高温机械力疲劳加载下,其变形是不均匀的。变形在近金属间化合物层界面处或沿焊点不同侧焊角的连线方向发生集中。裂纹在焊角处萌生,并在变形集中区内扩展,随着温度的增加,断裂路径从近金属间化合物层的界面处向钎料内偏移,沿晶失效比例增加。驻留时间对焊点的高温机械力疲劳失效具有显著的加速作用。焊点的疲劳寿命随着驻留时间的延长而下降,但当驻留时间超过一定时间后,其对疲劳寿命影响不大,这是应力释放达到平衡的结果。随着驻留时间的延长,蠕变作用增加,钎料内萌生蠕变空洞。另外,应变速率对基体有强化作用,随着应变加载速率的增加,焊点的疲劳寿命出现一定的增加,但长驻留时间下,其影响下降。  根据线性损伤累积准则,构建了基于解耦的蠕变疲劳耦合寿命模型,在高应变加载速率下,模型具有良好的预测效果。其中蠕变寿命损失分数基于Monkman-Grant模型的耦合寿命模型准确性最高。无论采用交互曲线方法还是增加交互项修正均可降低预测寿命的分散带和标准偏差,但采用增加交互项修正精度最高,基于试验数据,蠕变损伤指数最优取值为0.60。焊点高应变速率下的应力释放行为可用修正了的Feltham公式描述。
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