【文章內容簡介】 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，工作場所或工作臺應該具有防碰撞、防震動的功能。電阻焊點剪切力的測試分析：片式電阻焊點的剪切試驗按照日本工業(yè)標準JIS Z 31982003，《無鉛料試驗方法第七部分：片式元件焊點的剪切試驗方法》的規(guī)定，采用日本RHESCA公司的STR1000型微焊點強度測試儀來測試電阻的剪切力，能夠準確、真實地反映焊點力學性能。，測試時推刀與電阻作用產生的相互作用力，通過傳感器傳到STR1000主機，再輸出數據并繪制剪切曲線，整個剪切試驗過程在室溫下完成，推刀移動速度為10mm/min，進行多次試驗取平均值。 片式電阻剪切試驗示意圖試驗步驟：(a) 試驗采用加壓剪切方法。(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位置的對準。(c) 剪切夾具與基板的間隙應在元器件的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（所施加力應為焊點抗剪強度的1/10以下）以避免對元器件造成沖擊，而后移動剪切夾具而進行加載并開始測定，剪切夾具的移動速度為10mm/min。 (a) 剪切前 (b) 剪切后 電阻焊點剪切前后實物圖國際電工委員會標準IEC 62137122007 《SurfaNd mounting technology Environmental and enduranNd test methods for surfaNd mount solder joint Part 12: Shear strength test》和日本JEITA標準JEITA ET7409/1022005 《貼裝元器件焊點橫向剪切強度試驗方法》規(guī)定，在對組裝后的無引腳型貼裝元器件的橫向側面加載橫向推力，使貼裝元件端子與印刷電路板焊盤發(fā)生剪切時的最大試驗力，定義為元件焊點的抗剪強度，故本研究中用元件的剪切力來評價元件焊點的結合程度，這已為業(yè)內諸多試驗研究采納。 釬料/Cu高溫時效試驗焊點的可靠性問題一般是指電子元器件在服役過程中，由于電流熱效應使得焊點發(fā)熱，較高的溫度加速了焊點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隨時間而逐漸增厚，硬且脆的金屬間化合物層是誘發(fā)裂紋萌生與擴展的源頭，最終造成焊點失效，一個焊點的失效都有可能造成整個產品故障。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，而電子封裝與組裝的失效中，焊點的失效是主要原因。因此，焊點的可靠性已成為電子封裝與組裝中的關鍵問題之一，有必要對其進行深入系統(tǒng)的研究。本論文通過對焊點進行長時間高溫存儲后研究焊點的力學性能及界面組織的演化來評價SnAgCu系無鉛釬料焊點的可靠性，另外，還考察了稀土元素Pr、Nd對焊點可靠性的影響規(guī)律。試驗根據美國電子電路和電子互連行業(yè)協(xié)會標準IPCSM785 《Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments》和美國軍用標準MILSTD883 《Test method military standard for microelectronics》的規(guī)定，將試樣在150℃下存儲0小時、120小時、240小時、360小時和480小時后，分別考察焊點力學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，材料的各項性能不僅取決于材料的化學成分，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，截取適當大小釬料塊進行鑲嵌粗磨、細磨（由于Sn基釬料質地比較軟，磨樣時一定要輕磨以減少劃痕的出現，否則影響顯微組織的觀察）、拋光等工序后，采用4%HNO3酒精溶液對試樣進行腐蝕，腐蝕時間為3s左右。此外，將鋪展試驗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型光學顯微鏡進行觀察和拍照。 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進行成分分析[55]。第三章微焊點力學性能及界面組織分析 時效后微焊點力學性能變化電子產品中的釬焊接頭，不僅起著電氣連接的作用，同時也起著將元器件固定在基板上的作用，焊點不僅要承受電子產品在生產運輸過程中受到的機械撞擊、震動的影響，而且在也要經受不斷開關機和環(huán)境溫度變化帶來的熱機械疲勞作用。因此，焊點的力學性能也是釬料的重要考核內容之一。作為一種焊接材料，他最終的用途是焊接部件，因此人們更關心的是焊點的強度而不是材料本身的力學性能，為了能夠更好的反應電子產品中焊點的真實情況，對0805型片式陶瓷電阻進行釬焊試驗，并對其微焊點釬焊后以后時效過程中的力學性能進行表征。電子產品在服役過程中焊點處往往有電流通過，特別是在某些電流密度較高的場合，焊點處由電流產生的焦耳熱通常會導致焊點在較高溫度下工作，相當于焊點在經受高溫存儲作用。在高溫存儲過程中，SnAgCu焊點的顯微結構會發(fā)生變化，主要包括界面處金屬間化合物Cu6Sn5的不斷生長?；衔锏纳L由動力學因素控制，研究表明，界面處元素的相互擴散是化合物層生長的控制因素，溫度升高會加速原子的相互擴散，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因素。由于組成焊點的不同相之間的熱膨脹不匹配，使焊點在服役過程中會經歷周期性的應變，形變量足夠大時會引起焊點中萌生微裂紋乃至斷裂。高溫存儲試驗是模擬電子產品在服役過程中焊點在熱存儲作用下失效行為的加速性試驗方法。每種試樣各做10次剪切試驗，取其平均值。可以看出來，對于未時效的焊點，加入稀土元素Pr后，可以提高焊點的剪切力，但隨著Pr的含量增加后，焊點的剪切力下降，并低于普通SnAgCu釬料。如果加入稀土元素Nd，同樣可以提高焊點的剪切力，效果與稀土元素Pr相似，但Nd的含量增加后，焊點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中組分隨著時效時間的增加，其各自的焊點剪切力逐漸下降。比較普通SnAgCu釬料和含Pr的SnAgCu釬料可知，Pr可以有效降低焊點剪切力在時效過程中的下降幅度，同時隨著Pr含量的增加，這種效果增強。剪切力雖下降但仍然大于普通SnAgCu釬料。%時，對釬料時效中剪切力下降，稍微有點促進，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。 剪切試驗數據SnAgCu0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h　　　　　　　　　　平均0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h平均0h120h240h360h480h平均 時效過程中試樣剪切力的變化焊點形成以后，金屬原子的擴散依然存在，因此界面反應也在繼續(xù)進行，這使得服役期的焊點組織仍處于發(fā)展變化之中。過量的界面反應會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)，嚴重時還會引起連接可靠性的問題。此時的界面反應速率不高，但考慮到電子產品的設計壽命通常都在幾年甚至十幾年，其間伴有高達數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對焊點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，以絕對溫度表達時也已是處于高溫區(qū)工作了，因此擴散作用已經很強了。隨著時間的推移，晶粒長大也是不可避免的。同時，隨著金屬原子向著低濃度方向的不斷擴散，金屬化合物層的厚度通常會繼續(xù)增加，形狀也由波浪起伏向扁平均勻的方向發(fā)展，而過量的界面反應還可能在界面組織中產生孔洞，這些都會連接強度產生影響。釬料和基板之間釬焊時形成的界面金屬間化合物(IMC)是其機械連接和散熱的基礎。焊接后要有一定的連接強度，必須生成金屬間結合層，金屬間化合物過薄，連接強度不夠，金屬間化合物太厚，同樣對焊點的性能不利。因為金屬間化合物比較脆，容易產生龜裂，造成失效。適當的界面IMC可實現釬料和基板之間良好的冶金結合，同時獲得性能良好的焊點。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、時間的控制，而且在后期的服役過程中其厚度也會隨著時間的延長而增加。因此延長釬焊接頭服役壽命的關鍵是控制界面IMC在釬焊和時效過程中的生長。在時效過程中，由于釬料和基體元素原子的相互擴散，界面IMC要繼續(xù)生長。、120小時、240小時、360小時、480小時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總厚度隨著時效時間的增加而生長，而且形貌由扇形逐漸變?yōu)檩^平的層狀。 （a）0小時 (b) 120小時 (c) 240小時 (d) 360小時 (e) 480小時 SAC在150℃下不同失效時間界面比較、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構對焊點的力學性能有重要的影響。一個好的合金結合應有一個合理的界面層厚度?；亓骱螅涍^不同時效時間后(此處只選取0、2480小時時效，此時組織結構變化較為明顯，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Ag3Sn相的存在會對焊點性能帶來不利的影響。，分別分析對比0、2480小時時效組中的3號試樣可知，在相同時效里，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，分別縱向比較3號試樣隨著時效時間的變化，IMC均不斷生長，但厚度明顯少于相同時效時間的1號試樣的IMC層厚度。由此看出，在時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，最終改善焊點力學性能。(c)可以發(fā)現，釬料組織中出現黑色SnPr金屬間化合物，黑色稀土相的存在會惡化釬料的性能。%的釬料焊點力學性能相比普通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的化學親和力參數要大于與Ag、Cu的化學親和力參數，因而稀