【文章內(nèi)容簡介】 正常工作條件為：工作電壓為100V（50/60Hz）、溫度為15℃~30℃，相對濕度為40%~80%。由于它的測試精度較高，工作場所或工作臺(tái)應(yīng)該具有防碰撞、防震動(dòng)的功能。電阻焊點(diǎn)剪切力的測試分析：片式電阻焊點(diǎn)的剪切試驗(yàn)按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 31982003，《無鉛料試驗(yàn)方法第七部分：片式元件焊點(diǎn)的剪切試驗(yàn)方法》的規(guī)定，采用日本RHESCA公司的STR1000型微焊點(diǎn)強(qiáng)度測試儀來測試電阻的剪切力，能夠準(zhǔn)確、真實(shí)地反映焊點(diǎn)力學(xué)性能。，測試時(shí)推刀與電阻作用產(chǎn)生的相互作用力，通過傳感器傳到STR1000主機(jī)，再輸出數(shù)據(jù)并繪制剪切曲線，整個(gè)剪切試驗(yàn)過程在室溫下完成，推刀移動(dòng)速度為10mm/min，進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值。 片式電阻剪切試驗(yàn)示意圖試驗(yàn)步驟：(a) 試驗(yàn)采用加壓剪切方法。(b) 剪切夾具與基板平行且與元器件垂直并對準(zhǔn)元器件中央位置。配合使用顯微鏡以保證剪切夾具與元器件相應(yīng)位置的對準(zhǔn)。(c) 剪切夾具與基板的間隙應(yīng)在元器件的1/4厚度以下。但是剪切夾具與基板不能接觸。(d) 剪切夾具首先與元器件輕微接觸（所施加力應(yīng)為焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的1/10以下）以避免對元器件造成沖擊，而后移動(dòng)剪切夾具而進(jìn)行加載并開始測定，剪切夾具的移動(dòng)速度為10mm/min。 (a) 剪切前 (b) 剪切后 電阻焊點(diǎn)剪切前后實(shí)物圖國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62137122007 《SurfaNd mounting technology Environmental and enduranNd test methods for surfaNd mount solder joint Part 12: Shear strength test》和日本JEITA標(biāo)準(zhǔn)JEITA ET7409/1022005 《貼裝元器件焊點(diǎn)橫向剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》規(guī)定，在對組裝后的無引腳型貼裝元器件的橫向側(cè)面加載橫向推力，使貼裝元件端子與印刷電路板焊盤發(fā)生剪切時(shí)的最大試驗(yàn)力，定義為元件焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度，故本研究中用元件的剪切力來評價(jià)元件焊點(diǎn)的結(jié)合程度，這已為業(yè)內(nèi)諸多試驗(yàn)研究采納。 釬料/Cu高溫時(shí)效試驗(yàn)焊點(diǎn)的可靠性問題一般是指電子元器件在服役過程中，由于電流熱效應(yīng)使得焊點(diǎn)發(fā)熱，較高的溫度加速了焊點(diǎn)界面原子的遷移和組織的演化，通常界面處的金屬間化合物層會(huì)隨時(shí)間而逐漸增厚，硬且脆的金屬間化合物層是誘發(fā)裂紋萌生與擴(kuò)展的源頭，最終造成焊點(diǎn)失效，一個(gè)焊點(diǎn)的失效都有可能造成整個(gè)產(chǎn)品故障。研究表明，電子器件的失效百分之八十以上與封裝和組裝的失效有關(guān)，而電子封裝與組裝的失效中，焊點(diǎn)的失效是主要原因。因此，焊點(diǎn)的可靠性已成為電子封裝與組裝中的關(guān)鍵問題之一，有必要對其進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。本論文通過對焊點(diǎn)進(jìn)行長時(shí)間高溫存儲(chǔ)后研究焊點(diǎn)的力學(xué)性能及界面組織的演化來評價(jià)SnAgCu系無鉛釬料焊點(diǎn)的可靠性，另外，還考察了稀土元素Pr、Nd對焊點(diǎn)可靠性的影響規(guī)律。試驗(yàn)根據(jù)美國電子電路和電子互連行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IPCSM785 《Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments》和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MILSTD883 《Test method military standard for microelectronics》的規(guī)定，將試樣在150℃下存儲(chǔ)0小時(shí)、120小時(shí)、240小時(shí)、360小時(shí)和480小時(shí)后，分別考察焊點(diǎn)力學(xué)性能的變化及界面組織的演化。 金相試樣的制備及微觀組織形貌觀察眾所周知，材料的各項(xiàng)性能不僅取決于材料的化學(xué)成分，還取決于其顯微組織，材料的成分、組織、性能三者是緊密聯(lián)系的，分析材料的顯微組織有助于更深入地揭示材料性能所發(fā)生的變化。 金相顯微鏡分析將釬料在235℃下空冷后，截取適當(dāng)大小釬料塊進(jìn)行鑲嵌粗磨、細(xì)磨（由于Sn基釬料質(zhì)地比較軟，磨樣時(shí)一定要輕磨以減少劃痕的出現(xiàn)，否則影響顯微組織的觀察）、拋光等工序后，采用4%HNO3酒精溶液對試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為3s左右。此外，將鋪展試驗(yàn)所得試樣從橫截面截開并鑲嵌，磨樣、拋光并觀察界面組織，通過XJP300型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察和拍照。 掃描電鏡分析利用Quanta200型掃描電子顯微鏡觀察分析釬料顯微組織形貌，利用EDS進(jìn)行成分分析[55]。第三章微焊點(diǎn)力學(xué)性能及界面組織分析 時(shí)效后微焊點(diǎn)力學(xué)性能變化電子產(chǎn)品中的釬焊接頭，不僅起著電氣連接的作用，同時(shí)也起著將元器件固定在基板上的作用，焊點(diǎn)不僅要承受電子產(chǎn)品在生產(chǎn)運(yùn)輸過程中受到的機(jī)械撞擊、震動(dòng)的影響，而且在也要經(jīng)受不斷開關(guān)機(jī)和環(huán)境溫度變化帶來的熱機(jī)械疲勞作用。因此，焊點(diǎn)的力學(xué)性能也是釬料的重要考核內(nèi)容之一。作為一種焊接材料，他最終的用途是焊接部件，因此人們更關(guān)心的是焊點(diǎn)的強(qiáng)度而不是材料本身的力學(xué)性能，為了能夠更好的反應(yīng)電子產(chǎn)品中焊點(diǎn)的真實(shí)情況，對0805型片式陶瓷電阻進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，并對其微焊點(diǎn)釬焊后以后時(shí)效過程中的力學(xué)性能進(jìn)行表征。電子產(chǎn)品在服役過程中焊點(diǎn)處往往有電流通過，特別是在某些電流密度較高的場合，焊點(diǎn)處由電流產(chǎn)生的焦耳熱通常會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)在較高溫度下工作，相當(dāng)于焊點(diǎn)在經(jīng)受高溫存儲(chǔ)作用。在高溫存儲(chǔ)過程中，SnAgCu焊點(diǎn)的顯微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，主要包括界面處金屬間化合物Cu6Sn5的不斷生長。化合物的生長由動(dòng)力學(xué)因素控制，研究表明，界面處元素的相互擴(kuò)散是化合物層生長的控制因素，溫度升高會(huì)加速原子的相互擴(kuò)散，使化合物層生長速度加快。另一方面，在高溫下，金屬間化合物相的成分也有可能發(fā)生變化，這取決于在特定溫度下不同金屬間化合物的熱力學(xué)因素。由于組成焊點(diǎn)的不同相之間的熱膨脹不匹配，使焊點(diǎn)在服役過程中會(huì)經(jīng)歷周期性的應(yīng)變，形變量足夠大時(shí)會(huì)引起焊點(diǎn)中萌生微裂紋乃至斷裂。高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)是模擬電子產(chǎn)品在服役過程中焊點(diǎn)在熱存儲(chǔ)作用下失效行為的加速性試驗(yàn)方法。每種試樣各做10次剪切試驗(yàn)，取其平均值?？梢钥闯鰜?，對于未時(shí)效的焊點(diǎn)，加入稀土元素Pr后，可以提高焊點(diǎn)的剪切力，但隨著Pr的含量增加后，焊點(diǎn)的剪切力下降，并低于普通SnAgCu釬料。如果加入稀土元素Nd，同樣可以提高焊點(diǎn)的剪切力，效果與稀土元素Pr相似，但Nd的含量增加后，焊點(diǎn)的剪切力下降低于普通SnAgCu釬料，并低于相同含量Pr的SnAgCu釬料的焊點(diǎn)剪切力。所以在釬料的影響中，Nd比Pr對含量敏感性更大。從表中可以看出，5中組分隨著時(shí)效時(shí)間的增加，其各自的焊點(diǎn)剪切力逐漸下降。比較普通SnAgCu釬料和含Pr的SnAgCu釬料可知，Pr可以有效降低焊點(diǎn)剪切力在時(shí)效過程中的下降幅度，同時(shí)隨著Pr含量的增加，這種效果增強(qiáng)。剪切力雖下降但仍然大于普通SnAgCu釬料。%時(shí)，對釬料時(shí)效中剪切力下降，稍微有點(diǎn)促進(jìn)，基本對普通SnAgCu釬料無影響，但隨著含量增加，稀土元素Nd也可以有效減緩釬料時(shí)效過程中剪切力的下降，但最終剪切力卻低于普通SnAgCu釬料。 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)SnAgCu0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h　　　　　　　　　　平均0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h平均 時(shí)效過程中試樣剪切力的變化焊點(diǎn)形成以后，金屬原子的擴(kuò)散依然存在，因此界面反應(yīng)也在繼續(xù)進(jìn)行，這使得服役期的焊點(diǎn)組織仍處于發(fā)展變化之中。過量的界面反應(yīng)會(huì)引起界面層的晶粒大小、形狀和分布特征偏離初生的組織形態(tài)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起連接可靠性的問題。此時(shí)的界面反應(yīng)速率不高，但考慮到電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命通常都在幾年甚至十幾年，其間伴有高達(dá)數(shù)十上百度的溫度循環(huán)，因此，發(fā)生在服役期間的界面反應(yīng)對焊點(diǎn)可靠性的影響仍然不容忽視。在焊接工藝條件下，焊料的冷卻速度很快，界面組織中的晶粒和金屬間化合物通常都難以長大，界面組織中甚至還有過飽和的被焊金屬原子存在。而且，即使在常溫下，以絕對溫度表達(dá)時(shí)也已是處于高溫區(qū)工作了，因此擴(kuò)散作用已經(jīng)很強(qiáng)了。隨著時(shí)間的推移，晶粒長大也是不可避免的。同時(shí)，隨著金屬原子向著低濃度方向的不斷擴(kuò)散，金屬化合物層的厚度通常會(huì)繼續(xù)增加，形狀也由波浪起伏向扁平均勻的方向發(fā)展，而過量的界面反應(yīng)還可能在界面組織中產(chǎn)生孔洞，這些都會(huì)連接強(qiáng)度產(chǎn)生影響。釬料和基板之間釬焊時(shí)形成的界面金屬間化合物(IMC)是其機(jī)械連接和散熱的基礎(chǔ)。焊接后要有一定的連接強(qiáng)度，必須生成金屬間結(jié)合層，金屬間化合物過薄，連接強(qiáng)度不夠，金屬間化合物太厚，同樣對焊點(diǎn)的性能不利。因?yàn)榻饘匍g化合物比較脆，容易產(chǎn)生龜裂，造成失效。適當(dāng)?shù)慕缑鍵MC可實(shí)現(xiàn)釬料和基板之間良好的冶金結(jié)合，同時(shí)獲得性能良好的焊點(diǎn)。界面處形成的一層金屬間化合物(IMC)，不但受焊接過程中溫度、時(shí)間的控制，而且在后期的服役過程中其厚度也會(huì)隨著時(shí)間的延長而增加。因此延長釬焊接頭服役壽命的關(guān)鍵是控制界面IMC在釬焊和時(shí)效過程中的生長。在時(shí)效過程中，由于釬料和基體元素原子的相互擴(kuò)散，界面IMC要繼續(xù)生長。、120小時(shí)、240小時(shí)、360小時(shí)、480小時(shí)后界面處所形成的金屬間化合物IMC形貌圖。由圖可見，界面IMC總厚度隨著時(shí)效時(shí)間的增加而生長，而且形貌由扇形逐漸變?yōu)檩^平的層狀。 （a）0小時(shí) (b) 120小時(shí) (c) 240小時(shí) (d) 360小時(shí) (e) 480小時(shí) SAC在150℃下不同失效時(shí)間界面比較、Nd對界面化合物生長的影響 稀土Pr對界面化合物生長的影響釬焊中，釬料與潤濕基板間形成的金屬間化合物層的結(jié)構(gòu)對焊點(diǎn)的力學(xué)性能有重要的影響。一個(gè)好的合金結(jié)合應(yīng)有一個(gè)合理的界面層厚度。回流后，經(jīng)過不同時(shí)效時(shí)間后(此處只選取0、2480小時(shí)時(shí)效，此時(shí)組織結(jié)構(gòu)變化較為明顯，其他兩組分別介于臨近兩組之間，組織是過渡階段)，Cu基板上，界面化合物層為呈扇貝形的Cu6Sn5，其向釬料基體中生長。,（a）。這種板條狀A(yù)g3Sn相的存在會(huì)對焊點(diǎn)性能帶來不利的影響。，分別分析對比0、2480小時(shí)時(shí)效組中的3號(hào)試樣可知，在相同時(shí)效里，加入稀土元素Pr可以明顯抑制金屬間化合物層的厚度，%%Pr的試樣IMC層薄，抑制效果好。同時(shí)，分別縱向比較3號(hào)試樣隨著時(shí)效時(shí)間的變化，IMC均不斷生長，但厚度明顯少于相同時(shí)效時(shí)間的1號(hào)試樣的IMC層厚度。由此看出，在時(shí)效過程中稀土元素可以較好的抑制界面處金屬間化合物層的生長，最終改善焊點(diǎn)力學(xué)性能。(c)可以發(fā)現(xiàn)，釬料組織中出現(xiàn)黑色SnPr金屬間化合物，黑色稀土相的存在會(huì)惡化釬料的性能。%的釬料焊點(diǎn)力學(xué)性能相比普通SnAgCu釬料略差。從稀土元素Pr與Sn、Ag和Cu的作用傾向來看，其與Sn的化學(xué)親和力參數(shù)要大于與Ag、Cu的化學(xué)