【正文】 化，焊點間的間距越來越小，而承受的應力和電流卻有增大的趨勢，在如此艱苦的服役條件下工作，必然要求焊點具備更可靠的性能。此外，電子產(chǎn)品的組裝在由使用傳統(tǒng)的 SnPb釬料轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂脽o鉛釬料后，相應的工藝參數(shù)、材料性能等的改變，必然會對焊點可靠性帶來新的問題，因此無鉛焊點的可靠性愈來愈受到重視。 焊點力學性能的試驗方法 利用日本 RHESCA公司的 STR1000型微焊點強度測試儀（見圖 ）測試分析電阻焊點的剪切力 ，能夠準確、真實地測定電子產(chǎn)品中焊點的力學性能。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 15 圖 STR1000 微焊點強度測試儀 STR1000是一臺專門針對表面組裝器件（ SMD）的微焊點（或引腳）強度試驗、印制電路板耐久彎曲試驗以及其它多種力學性能測試的試驗儀器，通過變換試驗平臺，可以測試拉力、推力、剝離、剪切等多種強度，配合數(shù)據(jù)軟件具有自動計算、保存、分析的功能。主要由測定部主機、傳感器（剪切、抗拉）、剪切用刀具、拉力用針鉗、鉤針、雙眼實體顯微鏡、 推力用工具、傾斜工作臺、拉力用夾具等部件構(gòu)成。它的主要工作原理是：測試時，鉤針（或推刀）與受試工件產(chǎn)生的力通過傳感器傳到 STR1000的主機內(nèi)，再通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)的軟件中，自動繪制成曲線和輸出所需數(shù)據(jù)。STR1000測試儀的正常工作條件為：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 319820xx，《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。圖 ，測試時推刀與電阻作用產(chǎn)生的相互作用力，通過傳感器傳到 STR1000主機，再輸出數(shù)據(jù)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。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 16 圖 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，在剪切夾具上安裝直徑為 。 (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 圖 電阻焊點剪切前后實物圖 畢業(yè)設計（論文）報告紙 17 國際 電工委員會 標準 IEC 621371220xx 《 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 ET7409/10220xx 《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(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(jié)合程度，這已為業(yè)內(nèi)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(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(guān)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(jù)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(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，截取適當大小釬料塊進行鑲嵌粗磨、細磨（由于 Sn基釬 畢業(yè)設計（論文）報告紙 18 料質(zhì)地比較軟，磨樣時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]。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 19 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(chǎn)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(chǎn)品在生產(chǎn)運輸過程中受到的機械撞擊、震動的影響，而且在也要經(jīng)受不斷開關(guān)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(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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)受高溫存儲作用。在高溫存儲過程中， SnAgCu焊點的顯微結(jié)構(gòu)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。化合物的生長由動力學因素控制，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(jīng)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(chǎn)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。 表 。 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 畢業(yè)設計（論文）報告紙 20 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。 稀土元素 Nd在含量為 %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。 表 剪切試驗數(shù)據(jù) SnAgCu 0h 120h 240h 360h 480h 平均 0h 120h 240h 360h 480h 平均 0h 120h 240h 360h 480h 畢業(yè)設計（論文）報告紙 21 平均 0h 120h 240h 360h 480h 平均 0h 120h 240h 360h 480h 平均 圖 時效過程中試樣剪切力的變化 時效過程中界面化合物的生長 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 畢業(yè)設計（論文）報告紙 22 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(chǎn)品的設計壽命通常都在幾年甚至十幾年，其間伴有高達數(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(jīng)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(chǎn)生孔洞，這些都會連接強度產(chǎn)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(jié) 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(chǎn)生龜裂，造成失效。適當?shù)慕缑?IMC可實現(xiàn)釬料和基板之間良好的冶金結(jié)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(guān)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。 如圖 相同成分的 SAC試樣 分別 時 效 0小時、 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 畢業(yè)設計（論文）報告紙 23 (d) 360 小時 (