焊點(diǎn)可靠性研究

1、 SMT焊點(diǎn)可靠性研究 前言近幾年隨著支配電子產(chǎn)品飛速發(fā)展的高新型微電子組裝技術(shù)-表面組裝技術(shù)(SMT)的飛速發(fā)展SMT焊點(diǎn)可靠性問題成為普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題。與通孔組裝技術(shù)THT(Through Hole Technology)相比SMT在焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征上存在著很大的差異。THT焊點(diǎn)因?yàn)殄兺變?nèi)引線和導(dǎo)體鉛焊后填縫鉛料為焊點(diǎn)提供了主要的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性鍍通孔外緣的鉛焊圓角形態(tài)不是影響焊點(diǎn)可靠性的主要因素一般只需具有潤濕良好的特征就可以被接受。但在表面組裝技術(shù)中鉛料的填縫尺寸相對較小鉛料的圓角(或稱邊堡)部分在焊點(diǎn)的電氣和機(jī)械連接中起主要作用焊點(diǎn)的可靠性與THT焊點(diǎn)相比要低得多鉛料圓角的凹凸形態(tài)將

2、對焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生重要影響。另外表面組裝技術(shù)中大尺寸組件(如陶瓷芯片載體)與印制線路板的熱膨脹系數(shù)相差較大當(dāng)溫度升高時(shí)這種熱膨脹差必須全部由焊點(diǎn)來吸收。如果溫度超過鉛料的使用溫度范圍則在焊點(diǎn)處會產(chǎn)生很大的應(yīng)力最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。對于小尺寸組件雖然因材料的CTE失配而引起的焊點(diǎn)應(yīng)力水平較低但由于SnPb鉛料在熱循環(huán)條件下的粘性行為(蠕變和應(yīng)力松弛)存在著蠕變損傷失效。因此焊點(diǎn)可靠性問題尤其是焊點(diǎn)的熱循環(huán)失效問題是表面組裝技術(shù)中丞待解決的重大課題。80年代以來隨著電子產(chǎn)品集成水平的提高,各種形式各種尺寸的電子封裝器件不斷推出使得電子封裝產(chǎn)品在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中,面臨如何合理地選擇焊盤圖形焊點(diǎn)鉛料量以及如

3、何保證焊點(diǎn)質(zhì)量等問題。同時(shí)迅速變化的市場需求要求封裝工藝的設(shè)計(jì)者們能快速對新產(chǎn)品的性能做出判斷對工藝參數(shù)的設(shè)置做出決策。目前在表面組裝組件的封裝和引線設(shè)計(jì)焊盤圖形設(shè)計(jì)焊點(diǎn)鉛料量的選擇焊點(diǎn)形態(tài)評定等方面尚未能形成合理統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)則對工藝參數(shù)的選擇焊點(diǎn)性能的評價(jià)局限于通過大量的實(shí)驗(yàn)估測。因此迫切需要尋找一條方便有效的分析焊點(diǎn)可靠性的途徑有效地提高表面組裝技術(shù)的設(shè)計(jì)工藝水平。 研究表明改善焊點(diǎn)形態(tài)是提高SMT焊點(diǎn)可靠性的重要途徑。90年代以來關(guān)于焊點(diǎn)形成及焊點(diǎn)可靠性分析理論有大量文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。然而這些研究工作都是專業(yè)學(xué)者們針對焊點(diǎn)可靠性分析中的局部問題進(jìn)行的尚未形成系統(tǒng)的可靠性分析方法使其在工程實(shí)踐中

4、的具體應(yīng)用受到限制。 因此基于設(shè)計(jì)和控制SMT焊點(diǎn)形態(tài)是提高SMT焊點(diǎn)可靠性的重要途徑的思想在進(jìn)一步完善焊點(diǎn)形成及焊點(diǎn)可靠性分析理論基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)到焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測直至焊點(diǎn)可靠性分析的集成過程實(shí)現(xiàn)SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)并建立實(shí)用化SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)對于減少SMT產(chǎn)品決策實(shí)驗(yàn)工作量提高決策效率和工藝設(shè)計(jì)水平保證SMT焊點(diǎn)的可靠性具有重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。1問題描述1.1 SMT及其焊點(diǎn)失效 表面組裝技術(shù)(Surface Mount Technology)簡稱SMT是通過再流焊氣相焊或波峰焊等軟鉛焊方法將電子組件貼裝在印制板表面或基板上的微電子組裝技術(shù)。與傳統(tǒng)封裝形式相比SMT具有

5、體積小重要輕集成度高可雙面封裝易于實(shí)現(xiàn)自動化以及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 組裝包括芯片內(nèi)組裝(如將芯片封裝在基板上成為一個(gè)完整的表面組裝組件)和芯片外組裝(將表面組裝組件或單一組件器件封裝在印制板上)。按照封裝組件的類型SMT包括無引線陶瓷芯片載體LCCC方型扁平封裝QFP以及球柵數(shù)組BGA等組裝形式如圖1所示。 可見在SMT封裝產(chǎn)品中焊點(diǎn)是關(guān)鍵的組成部分既要承載電氣暢通又要承載機(jī)械連接因此提高焊點(diǎn)可靠性是保證SMT產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。 SMT可靠性問題主要來自于生產(chǎn)組裝過程和服役過程中。在生產(chǎn)組裝過程中由于焊前準(zhǔn)備焊接過程及焊后檢測等設(shè)備條件的限制以及焊接規(guī)范選擇的人為誤差常造成焊接故障如虛焊焊

6、錫短路及曼哈頓現(xiàn)象等約占SMT產(chǎn)品常見故障的85%遠(yuǎn)高于其它故障如器件或印制板故障。 在實(shí)際工作中SMT產(chǎn)品經(jīng)常處于溫度波動的服役環(huán)境中如計(jì)算器內(nèi)電子組裝件經(jīng)常經(jīng)歷通斷電電子組件和PCB板不斷被加熱和冷卻由于材料間熱膨脹系數(shù)的差異在焊點(diǎn)上必然產(chǎn)生熱應(yīng)力應(yīng)力的大小和方向會隨著溫度的變化而變化而造成焊點(diǎn)的疲勞損傷SnPb鉛料的熔點(diǎn)較低焊點(diǎn)會產(chǎn)生明顯的粘性行為即蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象Attarwala等人通過研究SnPb鉛料斷口形貌得出失效焊點(diǎn)斷口表面主要有表征疲勞斷裂的疲勞裂紋和表征蠕變斷裂的沿晶裂紋說明焊點(diǎn)失效為蠕變-疲勞作用的結(jié)果。 SMT焊點(diǎn)在服役條件下的可靠性問題即在熱循環(huán)或功率循環(huán)中由于芯片

7、載體與基板之間的熱膨脹失配所導(dǎo)致的焊點(diǎn)的蠕變疲勞失效問題是SMT領(lǐng)域丞待解決的重要問題下文所指的SMT焊點(diǎn)可靠性即為SMT焊點(diǎn)在服役條件下的可靠性。1.2 SMT焊點(diǎn)可靠性的影響因素 研究表明SMT焊點(diǎn)可靠性的影響因素主要有以下幾個(gè)方面 1材料因素裂紋的起裂與擴(kuò)展是焊點(diǎn)失效的直接原因。鉛料的微觀結(jié)構(gòu)即鉛料的組織結(jié)構(gòu)晶粒尺寸決定著鉛料的變形機(jī)制疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制從而對焊點(diǎn)的可靠性有決定性影響。如圖2是改變鉛料中SnPb的配比所對應(yīng)的不同鉛料中含Sn量的增加焊點(diǎn)疲勞壽命增加。適當(dāng)添加合金元素如AgSbRe等可在保證鉛料的熔點(diǎn)低潤濕性好接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)的前提下提高鉛料的抗蠕變一疲勞性能改善焊點(diǎn)可靠性。

8、另外由于組件與基板材料CTE不匹配導(dǎo)致焊點(diǎn)在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中是導(dǎo)致焊點(diǎn)裂紋的萌生與擴(kuò)展的本質(zhì)因素因此研制開發(fā)展適當(dāng)?shù)幕宀牧蠝p小電子組件與基板的熱膨脹系數(shù)差異可抑制焊點(diǎn)的失效。 2內(nèi)部缺陷 SMT軟鉛焊接頭因其微小的尺寸復(fù)雜的焊接材料產(chǎn)生缺陷的幾率較大主要有外觀缺陷如接頭外型不良引線間的橋接芯吸等以及內(nèi)部缺陷如氣孔有害金屬間化合物虛焊等。這些缺陷的存在都對焊點(diǎn)的可靠性有致命的影響。目前存在的焊點(diǎn)缺陷檢測方法很難檢測尺寸本來就十分微小的SMT焊點(diǎn)內(nèi)部的更加微小的缺陷因此關(guān)于缺陷對SMT焊點(diǎn)可靠性影響的理論研究少有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。哈工大微連接實(shí)驗(yàn)室初步研究了不同尺寸球狀氣孔對接頭機(jī)械性能的影響如

9、圖3曲線1表示接頭外邊緣在線的最大應(yīng)力峰值的變化曲線2表示氣孔周圍主應(yīng)力值的變化可見由于氣孔的存在SMT軟鉛焊接頭的機(jī)械載強(qiáng)度明顯下降。 3服役條件 SMT產(chǎn)品的可靠性很大程度上決定于服役條件如環(huán)境溫度周期性加載頻率等。Gregory等人模擬焊點(diǎn)熱循環(huán)的疲勞過程考察了溫度加載頻率對焊點(diǎn)疲勞壽命的影響結(jié)果表明隨著溫度的增加焊點(diǎn)應(yīng)變范圍增加失效周期數(shù)降低。隨著加載頻率增加焊點(diǎn)疲勞壽命降低。Tien等人的研究表明焊點(diǎn)高溫保溫時(shí)間短焊點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)變恢復(fù)的多將延長焊點(diǎn)疲勞壽命。保持時(shí)間長由于蠕變的作用可恢復(fù)應(yīng)變少增加了焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)變壽命降低。 4焊點(diǎn)形態(tài) SMT焊點(diǎn)形態(tài)即鉛料受熱熔化以后沿金屬表面潤濕鋪展冷凝

10、后形成的具有一定幾何形狀的外觀形態(tài)狹義上即鉛料圓角的凹凸形態(tài)研究表明SMT焊點(diǎn)形態(tài)影響焊點(diǎn)機(jī)械性能應(yīng)力應(yīng)變及蠕變疲勞壽命等。 如圖4是W.M.Sherry等人對84I/O非城堡型LCCC焊點(diǎn)的剪切性能在25進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果。表明焊點(diǎn)形態(tài)不同焊點(diǎn)的室溫剪切性能不同B型焊點(diǎn)的室溫剪切性能最好。 M.K.Shah等人假設(shè)焊點(diǎn)鉛料圓角形態(tài)為直線采用線彈性FEM分析了片式電容焊點(diǎn)在(T=100)時(shí)的熱應(yīng)力。結(jié)果表明改變鉛料圓角的高度組件與基板的間隙高度以及組件在焊盤上的貼片位置焊點(diǎn)的應(yīng)力水平和分布狀態(tài)不同。 E.Nicewarner對城堡型焊點(diǎn)熱循環(huán)壽命的試驗(yàn)研究表明焊點(diǎn)鉛料圓角的差異可使焊點(diǎn)熱循環(huán)壽

11、命的差異達(dá)6.5倍。鉛料圓角呈凸形時(shí)焊點(diǎn)熱循環(huán)壽命較高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王國忠等人對同種類型焊點(diǎn)的研究結(jié)果為平直型焊點(diǎn)可靠性較好。而R.W.Korb等人的研究指出城堡型焊點(diǎn)鉛料圓角的高度和長度大致相近時(shí)焊點(diǎn)可靠性最好。目前焊點(diǎn)形態(tài)對可靠性的影響規(guī)律尚不清楚有待于進(jìn)一步完善。1.3 SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在上述影響SMT焊點(diǎn)可靠性的因素中焊點(diǎn)的服役條件一般是難以改變的提高SMT焊點(diǎn)可靠性主要從減少缺陷開發(fā)新材料改善焊點(diǎn)形態(tài)方面考慮。其中減少缺陷的研究因?yàn)楹更c(diǎn)尺寸非常微小需要高精度的檢測設(shè)備焊點(diǎn)分析的處理工藝復(fù)雜按目前高精密檢測儀器發(fā)展水平很難進(jìn)行。開發(fā)新材料即進(jìn)行新型基板材料的開發(fā)或新的鉛料合金的

12、設(shè)計(jì)制造工藝復(fù)雜價(jià)格昂貴其實(shí)用性受到很大的限制。而通過合理設(shè)計(jì)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù) 改善焊點(diǎn)形態(tài)可有效改善焊點(diǎn)的力學(xué)性能從而提高焊點(diǎn)的可靠性。目前基于SMT焊點(diǎn)形態(tài)的焊點(diǎn)可靠性研究正方興未艾。 1990年美國Marquette大學(xué)的S.M.Heinrich等人提出了SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化的計(jì)算器輔助設(shè)計(jì)思想如圖5所示。設(shè)計(jì)者首先輸入影響焊點(diǎn)形態(tài)的有關(guān)參數(shù)(如鉛料量組件尺寸焊盤伸出長度以及組件與焊盤的間隙高度等)通過焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測模型計(jì)算出焊點(diǎn)形態(tài)然后利用所得結(jié)果進(jìn)行可靠性(如熱循環(huán)下的應(yīng)力應(yīng)變等)分析獲得焊點(diǎn)的疲勞壽命再以焊點(diǎn)疲勞壽命為判斷標(biāo)準(zhǔn)反饋推出最佳的焊點(diǎn)形態(tài)最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。 進(jìn)行SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化的

13、計(jì)算器輔助設(shè)計(jì)可以把關(guān)于焊點(diǎn)形成的數(shù)值仿真焊點(diǎn)力學(xué)性能的有限元分析以及焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測集成起來形成一完整的SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化體系。應(yīng)用于SMT工藝生產(chǎn)實(shí)踐中可以在產(chǎn)品投入組裝前給予合理化建議大大減少決策過程中的實(shí)驗(yàn)工作量有效提高SMT焊點(diǎn)的可靠性能。在國內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)中尚未見關(guān)于SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化的計(jì)算器輔助設(shè)計(jì)研究的完整報(bào)導(dǎo)。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 SMT焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測研究2.1.1 SMT焊點(diǎn)形態(tài)建?；痉椒ň_預(yù)測焊點(diǎn)形態(tài)是SMT組裝工藝的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)?1)可焊性測試(如潤濕平衡實(shí)驗(yàn))與焊點(diǎn)的幾何形態(tài)密切相關(guān)(2)導(dǎo)致低焊接生產(chǎn)率的接頭缺陷如橋連斷路等決定于焊點(diǎn)的形態(tài)(3)焊點(diǎn)形態(tài)對

14、服役條件下焊點(diǎn)的可靠性有重要影響。 焊點(diǎn)形態(tài)的研究開始于80年代主要建模方法為求解邊界值問題解法(簡BVP,Boundary Volume Problem)和數(shù)值分析方法。其中,BVP法通過給定邊界值約束條件建立焊點(diǎn)成形的微分方程求解出焊點(diǎn)形態(tài)。BVP法預(yù)測結(jié)果精確易于考察有關(guān)參數(shù)對焊點(diǎn)形態(tài)的影響規(guī)律。但一般用于焊點(diǎn)形態(tài)簡單易于描述為數(shù)學(xué)微分方程的焊點(diǎn)類型。數(shù)值分析方法即通過有限元法(簡稱FEM,Finite Elements Method),求解滿足相關(guān)約束條件的焊點(diǎn)三相系統(tǒng)能量的最小值給出焊點(diǎn)形態(tài)。FEM法預(yù)測結(jié)果是近似解通過單元類型的選擇和數(shù)目的增加逐漸精確。FEM法可用于復(fù)雜焊點(diǎn)形態(tài)的

15、求解中。 近些年來隨著SMT新型焊點(diǎn)的不斷增加焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測的研究取得了許多新的進(jìn)展BVP法和FEM法廣泛應(yīng)用于焊點(diǎn)二維形態(tài)模型軸對稱焊點(diǎn)形態(tài)模型及焊點(diǎn)三維形態(tài)模型中2.1.2焊點(diǎn)二維形態(tài)預(yù)測 許多關(guān)于焊點(diǎn)二維形態(tài)的研究文獻(xiàn)出現(xiàn)于19861993年間其中比較有代表性的是美國Marquette大學(xué)S.M.Heinrich等人的研究工作。Heinrich基于“接觸角為銳角”的假設(shè)建立了預(yù)測片式組件焊點(diǎn)二維形態(tài)模型如圖6所示基于流體液面上點(diǎn)的受力平衡的Laplace-Young方程和流體靜壓方程提出了控制液面形態(tài)的微分方程 利用上述方程的解析結(jié)果考察了無限鋪展條件下鉛料密度()/表面張力()鉛料量(A

16、)潤濕角(12)對焊點(diǎn)的高度(h)長度(1)及鉛料圓角形態(tài)y(x)的影響。 Heinrih在以后的研究中指出焊點(diǎn)鉛料的鋪展受組件金屬化端頭和焊盤尺寸的限制因此提出了一種求解鉛料量較小時(shí)(忽略重力的影響)焊點(diǎn)尺寸的近似方法焊點(diǎn)尺寸(H,1)可以描述為 是12的函數(shù)。 這種計(jì)算焊點(diǎn)形態(tài)的方法考慮了組件和焊盤尺寸對焊點(diǎn)形態(tài)的影響使SMT焊點(diǎn)二維形態(tài)計(jì)算的解析法進(jìn)一步完善。2.1.3軸對稱焊點(diǎn)的形態(tài)預(yù)測 隨著柵陣組裝(如FC,BGA)在高精度電子產(chǎn)品組裝中的廣泛應(yīng)用與發(fā)展軸對稱焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測取得了許多進(jìn)展。 Heinrich等人假設(shè)焊點(diǎn)剖面輪廓為圓弧形曲線(如圖8)對描述焊點(diǎn)形態(tài)的參數(shù)焊盤間隙高度鉛料體

17、積焊盤半徑圓弧曲率以無量綱參數(shù)形式建立單一焊點(diǎn)的積分方程 根據(jù)柵陣焊點(diǎn)整體受力約束鉛料表面張力及體積約束條件建立了邊界約束方程求解出了焊點(diǎn)高度寬度與焊點(diǎn)所受外力鉛料體積之間的關(guān)系曲線。此模型的貢獻(xiàn)在于給出了焊點(diǎn)成形的無量綱參數(shù)微分方程并且可擴(kuò)展到非均勻分布柵陣組裝焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測中對軸對稱焊點(diǎn)形態(tài)分析有重要的指導(dǎo)作用。但此模型中未涉及到鉛料在固相表面鋪展?fàn)顟B(tài)僅限用于PBGA等鉛料在焊盤表面完全鋪展的焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測中。 Renken等人考慮了液體鉛焊與固體表面(如焊盤組件表面)的相互作用引入Gibbs對Young方程修改所建立的異相界面間能量表達(dá)方程求解了鉛料與固相表面接觸的界面張力建立了描述整個(gè)焊點(diǎn)

18、系統(tǒng)的能量方程利用數(shù)值解法預(yù)測了焊點(diǎn)形態(tài)。其能量方程表達(dá)為 其中一系統(tǒng)能量s-表面勢能g-重力勢能A-界面面積V-體積-密度。-表面張力角標(biāo)S,L,G分別為固液氣相界面標(biāo)志。 G.Subbarayan模型 可預(yù)測焊點(diǎn)間隙高度鉛料與組件及焊盤表面的接觸角及鉛料與組件或焊盤的界面面積等使該模型具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性已應(yīng)用于CBGA等復(fù)雜焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測中。 97年Elkouh等人基于鉛料在焊盤表面完全潤濕鋪展?jié)櫇窠切∮?0度等假設(shè)條件分別對通孔組裝(THT)板上和板下焊點(diǎn)建立受力平衡方程給出了以無量綱參數(shù)表達(dá)的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)焊點(diǎn)形態(tài)的變化規(guī)律。結(jié)果表明在假設(shè)鉛料良好潤濕的前提下鉛料在板上和板下焊點(diǎn)的分布

19、主要取決于焊盤的尺寸而來自鉛料體積的影響要小一些。同樣在Elkouh模型焊點(diǎn)形態(tài)方程也以無量綱形式給出因此可擴(kuò)展為THT以外其它焊點(diǎn)的形態(tài)預(yù)測但是用此模型的嚴(yán)格條件使其應(yīng)用受到了限制。 2.1.4焊點(diǎn)三維形態(tài)預(yù)測 盡管焊點(diǎn)二維形態(tài)模型與軸對稱焊點(diǎn)形態(tài)模型發(fā)展得較多但是這些模型的建立針對特殊焊點(diǎn)因此很難應(yīng)用到新型復(fù)雜的焊點(diǎn)形態(tài)中因此開發(fā)焊點(diǎn)三維形態(tài)模型的研究受到了重視。 S.Goldman提出了一種預(yù)測FC焊點(diǎn)三維形態(tài)的數(shù)值方法用求解泛涵最小來確定焊點(diǎn)鉛料量的平衡形態(tài)焊點(diǎn)形態(tài)的泛函描述為 其中是描述焊點(diǎn)形態(tài)的柱坐標(biāo)參數(shù)W是芯片和重量H是芯片與基板的間隙是Lagrange乘數(shù)。上式的被積函數(shù)(F)

20、為泛函(I)最小時(shí)被積函數(shù)(F)應(yīng)滿足尤拉方程即根據(jù)上式可以得到描述焊點(diǎn)形態(tài)的微分方程利用有限元差分方法對焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行預(yù)測。 Y.Boris等人也利用上述方法求解了非對稱FC的焊點(diǎn)三維形態(tài)如圖9所示。Nigro等人在二維焊點(diǎn)形態(tài)模型基礎(chǔ)上發(fā)展了焊點(diǎn)三維形態(tài)預(yù)測的參數(shù)有限元法預(yù)測了位于兩平行對稱方形焊盤間焊點(diǎn)形態(tài)。在參數(shù)有限元形態(tài)模型中焊點(diǎn)表面離散為多個(gè)有限單元描述每個(gè)單元形狀函數(shù)為有關(guān)形狀參數(shù)(如單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等)的函數(shù)根據(jù)邊界體積約束及能量最小的約束條件確定三相系統(tǒng)能量達(dá)到最小值時(shí)形狀函數(shù)中的有關(guān)參數(shù)值從而預(yù)測焊點(diǎn)形態(tài)。 哈工大微連接實(shí)驗(yàn)室根據(jù)類似方法利用用計(jì)算液體成形軟件Surface Ev

21、olver預(yù)測了LCCC型焊點(diǎn)的三維形態(tài)如圖10。 2.2 SMT焊點(diǎn)力學(xué)行為分析及焊點(diǎn)熱疲勞壽命預(yù)測的研究2.2.1焊點(diǎn)力學(xué)行為分析即考察SMT焊點(diǎn)在承載歷史條件下焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變情況。鉛料的本構(gòu)方程(即鉛料的物理性能)是進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的基礎(chǔ)。其發(fā)展經(jīng)歷了彈塑型蠕變型彈塑型十蠕變型的分離型統(tǒng)一粘塑性型的進(jìn)程。 1彈塑性 90年以前主要采用彈塑性的本構(gòu)方程分析SMT焊點(diǎn)的力學(xué)行為如典型的Osgood-Ramberg冪級型本構(gòu)方程 J.H.lau 等人采用彈塑性本構(gòu)方程分析了組件與基板間隙高度對焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布的影響 。文獻(xiàn)研究也采用SnPb鉛料的彈塑性本構(gòu)模型對相關(guān)問題進(jìn)行了有限元分析。

22、 2蠕變型 隨著SnPb鉛料力學(xué)研究的深入人們逐漸認(rèn)識到高溫下蠕變變形是焊點(diǎn)失效的主要機(jī)制SnPb鉛料本構(gòu)模型的建立應(yīng)著重考慮其粘性行為。N.Paydar等人采用冪指數(shù)型的Dorn方程描述SnPb鉛料的穩(wěn)態(tài)蠕變規(guī)律分析了鉛料的應(yīng)力構(gòu)弛冪指數(shù)型的Dorn方程可描述為式中-蠕變應(yīng)變率-有效應(yīng)力A-常數(shù)b-泊氏矢量d-晶粒尺寸n-應(yīng)力指數(shù)p-晶粒尺寸指數(shù)G-剪切模量K-Boltxman常數(shù)D-擴(kuò)散系數(shù)D=Doexp(-Q/RT),Q-蠕變激活能R-氣體常數(shù)T-溫度(K)。 式中A,B-常數(shù)n-應(yīng)力指數(shù) Bor ZengHong采用上述的雙曲型蠕變規(guī)律分析了CBGA焊點(diǎn)的熱循環(huán)過程中應(yīng)力應(yīng)變行為A.M

23、.Deshpane考察焊點(diǎn)形態(tài)對焊點(diǎn)可靠性影響規(guī)律時(shí)采用雙曲型蠕變定律分析了鉛料的力學(xué)響應(yīng)。 此外W.Jung等人采用Norton型蠕變定律對BGA焊點(diǎn)的變形行為進(jìn)行了分析Norton SDL-39-16-11-00 型蠕變定律描述為 3彈塑十蠕變型1990年Knecht和Fox等人提出鉛料的非彈性變形中既有與時(shí)間有關(guān)的蠕變也有與時(shí)間無關(guān)的塑性變形但由于當(dāng)時(shí)尚時(shí)不能建立精確有效的描述SnPb鉛料的本構(gòu)關(guān)系尚不可能因此建立了“彈塑性十蠕變”的SnPb鉛料本構(gòu)方程。這種把與時(shí)間有關(guān)的蠕變變形與時(shí)間無關(guān)的塑性變形分開考慮的“分離型粘塑性”本構(gòu)方程在文獻(xiàn)中得到了應(yīng)用。其具體形式可歸納為彈塑性變形采用H

24、ooke定律和Osgood-Ramberg冪級型本構(gòu)定律穩(wěn)態(tài)蠕變變形采用Norton型蠕變定律或類似雙曲型穩(wěn)態(tài)蠕變規(guī)律描述。 4統(tǒng)一粘塑性根據(jù)連續(xù)介質(zhì)不可逆熱力學(xué)理論與時(shí)間有關(guān)的蠕變變形和與時(shí)間無關(guān)的塑性變形是不可分割的應(yīng)該以一套完整的本構(gòu)方程描述。為此許多學(xué)者在建立統(tǒng)一的Sn-Pb鉛料粘塑性本構(gòu)模型方面進(jìn)行了嘗試比較典型的有Skipor與Busso等人的工作。 Busso等人考慮了鉛料的鮑氏效應(yīng)采用單一內(nèi)變量描述蠕變變形和塑性變形預(yù)測了鉛料在-55125溫度區(qū)間8×10-28×10-5應(yīng)變率范圍內(nèi)的單向穩(wěn)態(tài)蠕變行為。其采用的統(tǒng)一粘塑性方程如下 1996年Skipor對共晶

25、鉛料的單向力學(xué)響應(yīng)時(shí)行了研究其本構(gòu)模型的建立基于統(tǒng)一粘塑性的Bodner-Partom方程。描述為盡管關(guān)于鉛料本構(gòu)模型的描述很多但尚無一種普通認(rèn)可的可精確描述SnPb鉛料粘塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程因此這方面的工作仍在完善中。焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測研究表明SMT焊點(diǎn)失效為低周疲勞失效。目前判斷低周疲勞主要有以下三種方法 1Manson-Coffin經(jīng)驗(yàn)公式 判斷低周疲勞的傳統(tǒng)方法為Manson-Coffin經(jīng)驗(yàn)公式。描述為 式中p-塑性應(yīng)變范圍Nf-疲勞壽命C-材料常數(shù)n-應(yīng)變指數(shù)。 Solmon等人對焊點(diǎn)在不同溫度區(qū)間的Sn60Ph40鉛料的等溫度疲勞壽命進(jìn)行了研究。結(jié)果表明M-C方程的指數(shù)與溫度

26、有關(guān)在-55125范圍內(nèi)疲勞壽命與塑性應(yīng)變范圍之間關(guān)系為 N.FenkeNorris和Landberg等人通過分析不同頻率循環(huán)溫度幅值的焊點(diǎn)疲勞行為提出了M-C方程的修正形式 式中f-循環(huán)頻率Tmax-最高循環(huán)溫度Q-活化能K-波耳茲曼常數(shù)m,n-與材料有關(guān)的常數(shù)。 對于預(yù)測SMT焊點(diǎn)疲勞壽命的M-C方程中應(yīng)變范圍的取值一直存在著爭議。因?yàn)槲墨I(xiàn)中根據(jù)不同的本構(gòu)模型得出的決定疲勞壽命的主宰因素如塑性應(yīng)變范圍蠕變應(yīng)變范圍或總應(yīng)變范圍不同因此關(guān)于Manson-coffin方程預(yù)測結(jié)果的精確性存在著爭議。 2斷裂力學(xué)方法 根據(jù)斷裂力學(xué)理論焊點(diǎn)壽命分為裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展階段因此許多研究工作中采用如下的經(jīng)

27、驗(yàn)方程描述裂紋擴(kuò)展規(guī)律 其中H為裂紋擴(kuò)展的斷裂力學(xué)判據(jù)可能是應(yīng)力場強(qiáng)度因子KJ積分或循環(huán)塑性功密度度WP,C,m為描述裂紋擴(kuò)展阻力的經(jīng)驗(yàn)參數(shù).應(yīng)用上述方程預(yù)測結(jié)果可以得到試驗(yàn)驗(yàn)證,但是由于預(yù)測模型的建立未考慮金屬學(xué)因素,同時(shí)采用J積分作為判據(jù)應(yīng)用于循環(huán)載荷條件受到限制.因此基于斷裂力學(xué)進(jìn)行SMT焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測仍在探討中. 3體積平均法 1997年Akay等人系統(tǒng)研究了SMT焊點(diǎn)熱循環(huán)壽命的影響因素認(rèn)為焊點(diǎn)失效是各部分綜合作用的結(jié)果局部的高應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變范圍會隨著網(wǎng)格密度不同而變化同時(shí)應(yīng)力應(yīng)變的周期變化以及平均輻值對焊點(diǎn)疲勞都有影響因此以一個(gè)熱循環(huán)中焊點(diǎn)內(nèi)高應(yīng)變處的應(yīng)變范圍作為焊點(diǎn)的疲勞壽命判據(jù)

28、的方法不能很好預(yù)測焊點(diǎn)疲勞壽命。Bilgic等人提出了預(yù)測焊點(diǎn)疲勞壽命的體積平均法即通過計(jì)算一個(gè)熱循環(huán)中焊點(diǎn)內(nèi)平均單元體積的應(yīng)變能求解出整個(gè)焊點(diǎn)的應(yīng)變能作為判據(jù)預(yù)測焊點(diǎn)的疲勞壽命其通過實(shí)驗(yàn)給出的焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)公式如下 W0,K疲勞系數(shù)Wav-平均單元體積能量V-單元體積。 采用的經(jīng)驗(yàn)公式仍采用Manson-Coffin方程形式但以材料循環(huán)中存儲的不可逆應(yīng)變能作為焊點(diǎn)失效判據(jù)是對Vavnman及W.Jung等提出的累積應(yīng)變損傷方法的補(bǔ)充。Akay等人針對LCCC焊點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究對Bilgic方程中的材料參數(shù)進(jìn)行了修正。2.3 SMT焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測與焊點(diǎn)可靠性分析集成優(yōu)化的研究 改善SMT

29、焊點(diǎn)形態(tài)是提高焊點(diǎn)可靠性的重要途徑只有集成焊點(diǎn)形成與焊點(diǎn)可靠性分析理論在形態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行焊點(diǎn)可靠性分析系統(tǒng)考察工藝參數(shù)對焊點(diǎn)形態(tài)焊點(diǎn)疲勞壽命的影響規(guī)律并能指導(dǎo)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)踐關(guān)于焊點(diǎn)形式和焊點(diǎn)可靠性分析的理論才具有實(shí)用階值。然而在以往的研究工作中對焊點(diǎn)形成和焊點(diǎn)可靠性研究有許多文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)而關(guān)于其集成研究卻很少直到96年G.Subbarayan127-133提出了一種系統(tǒng)預(yù)測BGAFP焊點(diǎn)形態(tài)及疲勞壽命的自動化方法開創(chuàng)了焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測與可靠性分析集成的新局面。G.Subbarayan根據(jù)BGAFP焊點(diǎn)幾何對稱的特點(diǎn)建立了類似柱坐標(biāo)的CAD系統(tǒng)給出表面單元的形函數(shù)并可由焊點(diǎn)表面網(wǎng)格直接生成焊點(diǎn)內(nèi)部網(wǎng)格。因此根據(jù)表面單元函數(shù)描述焊點(diǎn)表面輪廓 曲線為鉛料球直徑及焊盤直徑的二元函數(shù)建立在表面張力重力及外作用力下的系統(tǒng)能量方程求解系統(tǒng)能量最小的時(shí)焊點(diǎn)形態(tài)在形態(tài)預(yù)測的基