無鉛焊點蠕變電阻測試系統(tǒng)的研制

1、無鉛焊點蠕變電阻測試系統(tǒng)的研制2008年第27卷第9期傳感器與微系統(tǒng)(TransducerandMicrosystemTechnoh,gies)89無鉛焊點蠕變電阻測試系統(tǒng)的研制蔣禮,向可.,楊科靈,周孑民(1.中南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南長沙410083;2.中南大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,湖南長沙410083)摘要:以Sn-3.5Ag焊料制作的截面積1mm.的單個焊點試樣為測試對象,基于電阻應(yīng)變與裂紋生長等效模型,利用在線四探針法電阻測量技術(shù),研制了焊點蠕變電阻測試系統(tǒng).系統(tǒng)由測試儀,測試裝置和上位機軟件creep組成,實現(xiàn)微電阻,拉力,溫度測量和測試數(shù)據(jù)的實時存儲,實時應(yīng)變曲線的繪制.測

2、試結(jié)果表明:系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性,電阻測量最大相對誤差為0.27%.在20-29MPa應(yīng)力范圍下,Sn-3.5Ag焊點試樣的電阻應(yīng)變一時間測試曲線清晰地展示了剪切蠕變行為的第,階段,為觀測無鉛焊點剪切蠕變特性提供了一種高效,簡捷的可選手段.關(guān)鍵詞:無鉛焊點;電阻應(yīng)變;測試系統(tǒng)中圖分類號:TP216.1文獻標識碼:A文章編號:1000-9787(2008)09-0089-04Developmentofcreepresistancetestsystemforlead.freesolderjointsJIANGLi,XIANGKe,YANGKeling,ZHOUJie.min(1.SchoolofP

3、hysicsScienceandTechnology,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Usingsinglecreepspecimenswitha1mmcrosssectionalarea,whicharedevelopedandfabricatedwithleadfreesolder(Sn-3.5Ag),asthetestobjects,acreepresist

4、ancetestsystembasedontheequivalentmodeofresistancestrainandcrackdevelopingisdesignedtotesttheresistancestrainandobservetheshearcreepqualityofsolderjoints,withinsitumicroelectronicresistancemeasurementusingfourprobetechniques.Thistestsystemiscomposedoftestinstrument,testdeviceandsoftwarecreep,anditis

5、abletomeasuresmallresistance,load,temperatureandstoreexperimentdataanddepictstraincuiveinrealtime.Theexperimentalresultsshowthatthissystemhascomparativelyhighstabilityandthelargestmeasuringerrorofresistanceis0.27%.Underashear.stressof2029MPa,theresistancestraintimetestcurveforSn-3.5Agsolderjointssho

6、wstheandthestageofshearcreepclearly,andtheresultsuppliesanefficient,convenientwayforobservingtheshearcreepqualityofleadfreesolderjoints.Keywords:leadfreesolderjoints;resistancestrain;testsystem0引言當前關(guān)于無鉛焊料的蠕變特性研究逐漸成為熱點,吸引了眾多研究者,但大多利用光學(xué),在線SEM的方法.如,McDougallJ采用光學(xué)手段捕捉試樣表面特定劃痕的形變圖像,利用AdobePhotoshop對這些圖像進

7、行預(yù)處理,再借助圖像數(shù)據(jù)數(shù)字化軟件Datathicf提取特定劃痕上坐標點的變化,由此測量焊點的蠕應(yīng)變分布.LauKJ利用在線SEM方法研究焊點的蠕變失效,其基本過程為:在剪切蠕變試驗過程中,捕捉焊點的SEM顯微結(jié)構(gòu)圖,并記錄載收稿日期:2008-01-16基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50376076)荷的位移;同時,根據(jù)銅基板表面的激光柵格顯微圖像及其有限元分析結(jié)果,測量焊點的應(yīng)變.上述光學(xué),在線SEM的方法均未能實時,高效,簡捷地對焊點的蠕變特性進行測試,評估.此外,許多研究者從微觀角度對焊點的蠕變特性進行研究,但采用在線測量電阻應(yīng)變來研究蠕變特性的方法尚未有報道,國內(nèi)的吳豐順等人.

8、雖曾采用四探針電阻測量法研究無鉛互連凸點的電遷移失效,卻并未涉及蠕變特性.然而,焊點應(yīng)用于電子產(chǎn)品中,就理論和實際而言,其機械特性與電學(xué)特性存在一定的關(guān)系.為此,研傳感器與微系統(tǒng)第27卷究組在無鉛焊點可靠性的研究過程中,基于Griffith斷裂理論模型-"建立起一個電阻應(yīng)變與裂紋生長等效模型,并通過試驗驗證了電阻應(yīng)變與機械蠕應(yīng)變之問的定量關(guān)系.本文以電阻應(yīng)變與裂紋生長等效模型為基礎(chǔ),利用在線四探針法微電阻測量技術(shù),研制了無鉛焊點蠕變電阻測試系統(tǒng),以測試焊點的電阻應(yīng)變來觀測剪切蠕變特性.1測試原理1.1電阻應(yīng)變與裂紋生長等效模型設(shè)焊點中心有一寬度為2n的等效裂紋,焊點內(nèi)部等效裂紋不斷生

9、長的同時,其電阻值隨之改變.根據(jù)電阻應(yīng)變與裂紋生長等效模型,可得出焊點在剪切應(yīng)力的作用下的電阻應(yīng)變與裂紋寬度之間的關(guān)系如式(1)所示=+WL業(yè)f(a)+WdLRhWL-f(WL-f(,(1)D''.)'式中p為Sn-3.5Ag焊料的電阻率;S為焊點在與電流相互垂直方向上的等效橫截面積,S:WL,L分別為焊點的寬和高廠(n)為等效裂紋面積.如試驗過程中溫度恒定不變,則焊料Sn-3.5Ag的電阻率P恒定不變,電阻應(yīng)變主要由焊點厚度改變和裂紋生長決定.根據(jù)剪切蠕變經(jīng)典理論和實際觀測結(jié)果,焊點厚度改變作用因素遠小于因裂紋生長作用矧素,即.根據(jù)剪切變形中的幾何關(guān)系,有c1,J麗,

10、則dL亦可忽略不汁.因此,電阻應(yīng)變與裂紋寬度之間的關(guān)系可用式(2)表示:.),Aa/.).(2)假定焊點內(nèi)裂紋生長與時間相關(guān),則焊點等效裂紋寬度可看作時問的函數(shù),有n=,其中,叮由焊點初始狀態(tài),材料特性和裂紋擴展特性決定.由此式(2)呵變?yōu)?.(3)百''式(3)表明焊點蠕變的電阻應(yīng)變隨時間變化,變化曲線如圖1所示.其中,W=,J=1IBm,7/=1×10m/s,At=1s:圖1電阻應(yīng)變與時間變化關(guān)系Fig1Electronic-resistancestrainvariedwithtime1.2四探針法測微電阻無鉛焊點(Sn-3.5Ag)的電阻通常小于1rail,為了

11、精確測量并消除接觸電阻的影響,本文采用四探針法測量微電阻.四探針法測量的原理如圖2所示,圖中,尺,R,R.,R分別代表探針1,2,3,4與試樣的接觸電阻,尺為待測電阻.由于電壓表具有很高的輸出阻抗,接觸電阻尺,中通過的電流近似為0,從而保證了測量精度.lI魚一Il圖2四探針法測電阻Fig2Measurementofelectronic-resistancewithfour-probes2測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)由測試儀,測試裝置和上位機軟件creep組成.如圖3所示,將試樣固定在測試裝置的夾具上,根據(jù)載荷質(zhì)量,試樣焊點面積等參數(shù)計算出試樣所承受的載荷.蠕變試驗過程中,載荷始終保持不變.阻拉力測試探針微

12、電阻測試探針測試探針圖3測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理Fig3Principlediagramoftestsystem當給試樣施加豎直向下的剪切應(yīng)力后,在某一溫度下,隨著時問的推移,試樣會發(fā)生剪切蠕變.蠕變過程中,通過徽電阻測試探針,濾波放大電路及16位A/D轉(zhuǎn)換器采集焊點試樣的微電阻值;拉力傳感器將試樣所受拉力轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)由焊點測試儀器內(nèi)部的濾波放大電路,l6位As/D轉(zhuǎn)換器處理,將拉力值轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的剪切應(yīng)力;溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)過濾波放大電路后,由8侮A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量.焊點測試儀器內(nèi)部微處理器將上述3個物理量的數(shù)字量,以特定數(shù)據(jù)幀的形式,經(jīng)由通信接口發(fā)送到計算機.計算機

13、提取相關(guān)數(shù)據(jù),完成曲線繪圖數(shù)據(jù)存取,打印等工作.2.1測試儀的硬件實現(xiàn)系統(tǒng)的測試儀以高性價比的MCS-51系列8位微處理器AT89S52為核心.硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示,根據(jù)功能不同,可劃分為微電阻測量,拉力測量,溫度測量,液晶顯示和串口通信等幾大功能模塊.稱f1ll/一頌蓄測一=堂一蘭三一第9期蔣禮,等:無鉛焊點蠕變電阻測試系統(tǒng)的研制數(shù)字可編程增益精密儀表放大器焊點試樣程控精密叵流源lILCD顯示器外部數(shù)據(jù),地址總線圖例:+.數(shù)據(jù),信號,控制流'_串行移位<:二:>并行總線訪問一恒;贏源反潰電壓圖4測試儀的硬件結(jié)構(gòu)Fig4Hardwarestructureo

14、ftestinstrument1)微電阻測量:微電阻測量由精密程控恒流源聯(lián)合三級放大電路實現(xiàn).恒流源采用大功率運算放大器OPA548,可穩(wěn)定輸出最大為10A的電流.三級放大電路包括新型精密儀表放大器LTC6915和折波自穩(wěn)零運算放大器,最大可將電壓值不失真放大40960倍,非常適合微小電壓放大.2)拉力和溫度測量:拉力測量采用1rJL_1s型拉力傳感器,可測量最大為500N的拉力.溫度測量采用Pt100鉑電阻,測量范圍為0255,測量精度為l.3)液晶顯示和串口通信:液晶顯示采用16×2字符液晶顯示模塊SMC1602,串口通信則使用MAX232實現(xiàn)UART異步串行通信功能.2.2測試

15、儀的軟件實現(xiàn)測試儀軟件的設(shè)計目標是,標定拉力零值和5N定值及放大器零值,選擇試驗?zāi)Ｊ?監(jiān)控恒流源,采集數(shù)據(jù)并以每1O秒1幀(14個字節(jié))的速度將數(shù)據(jù)傳給上位機.圖5給出測試儀的程序設(shè)計流程.程序源代碼由MCS-51匯編和C語言聯(lián)合編寫.圖5測試儀程序流程圖Fig5Procedureflawchartoftestinstrument9I2.3基于Delphi的上位機軟件creep系統(tǒng)以BorlandDelphi7.0為開發(fā)平臺,利用串口通信控件,數(shù)據(jù)庫組件,圖表控件等,實現(xiàn)測試系統(tǒng)的上位機軟件creep.軟件creep的設(shè)計目標是實時接收與處理來自測試儀所采集的試樣焊點微電阻,實時拉力,環(huán)境溫度

16、等數(shù)據(jù),具備記錄檢測時間,試樣自動編號,即時顯示"電阻一時間","電阻應(yīng)變一時間","溫度一時間"曲線圖等基本功能,并能存儲,查詢試驗記錄.除此之外,creep的界面必須友好,操作簡潔明了,以方便用戶使用.圖6給出了軟件creep的基本結(jié)構(gòu).軟件系統(tǒng)系統(tǒng)配置Il教據(jù)庫操作ll串行通信妻竺苧皇!_IL曼戶_圖6軟件creep的基本結(jié)構(gòu)圖Fig6Structurediagramofsoftwarecreep3測試結(jié)果3.1微電阻測試試樣選用0.01級BZ3直流標準電阻(0.001n)對系統(tǒng)電阻測量精度進行檢測,測量結(jié)果如表1所示.町見數(shù)據(jù)

17、的穩(wěn)定性較高.表1BZ3標準電阻(0.001n)的測量數(shù)據(jù)Tab1DatameasuredbyusingBZ3standardresistance(0.0011)根據(jù)表1計算得到電阻應(yīng)變的最大絕對誤差為2.2n,最大相對誤差為0.27%.3.2蠕變與電阻應(yīng)變測試采用Sn-3.5Ag焊料制作多個焊點試樣(試樣尺寸見圖7),在2029MPa的剪切應(yīng)力下進行蠕變測試.結(jié)果顯示:厚度為0.1一O.2Him的焊點試樣電阻變化范圍為8O傳感器與微系統(tǒng)第27卷150n,與吳豐順等人"的測試結(jié)果吻合.(a)正面(a)elevation(b)側(cè)面O.22mm(c)局部放大i維罔(b)sideeleva

18、tion(c)3Ddiagramamplifiedpartially圖7焊點試樣示意圖Fig7Schematicdigramofspecimen選取焊點試樣1,2為代表.圖8和圖9分別給出了其在24MPa的剪切應(yīng)力下的電阻應(yīng)變一時間曲線圖.可以看出:曲線變化趨勢與圖l和經(jīng)典的蠕變曲線趨勢類似,清晰地展示了剪切蠕變行為的第,階段.O.20O.150.100.05005001000l50020002500時間/min圖8試樣l電阻應(yīng)變曲線Fig8Resistancestraincurveofspecimen10.0350.0300.0250.0200.015O.0100.005O-0.0050l0

19、002000300040005000時間/min圖9試樣2電阻應(yīng)變曲線Fig9Resistancestraincurveofspecimen24結(jié)論1)本文開發(fā)的無鉛焊點蠕變電阻測試系統(tǒng)穩(wěn)定,可靠,電阻測量結(jié)果與其他研究工作者得出的結(jié)果吻合.2)采用Sn-3.5Ag焊點進行剪切蠕變試驗,測試曲線清晰地展示了與文獻資料相類似的焊點蠕變,裂紋生長直至完全斷裂的過程.3)系統(tǒng)具備良好的可擴展性,為測試系統(tǒng)增加一些輔助模塊,并適當?shù)匦薷睦碚撃Ｐ秃蜕衔粰C軟件,即可擴展測試內(nèi)容.參考文獻:1McDougallJ,ChoiS,BielerTR,eta1.Quantificationofcreepstrain

20、distributioninsmallcreptlead?freein?situcompositeandnoncompositesolderjointsJ.MaterialsScienceandEnginee-ringA,2000(285):2534.2LauKJ,TangCY,ChowCL.eta1.Microscopicexperimentalin-vestigation0UshearfailureofsolderjointsJ.InternationalJour-nalofFracture,2004(130):617-634.3ZhaoJie,MiyashitaY,MutohY.Frat

21、iguecrackgrowthbehaviorof96.5Sn-3.5AgleadfreesolderJ.ntemationalJournalofFa.tigue,2001(23):723-731.4ZhaoJie,MutohY,MiyashitaY,eta1.Fatiguecrackgrowthbe.haviorofSn?PbandSn-basedleadfreesoldersJ.EngineeringFractureMechanics,2003(70):2187-2197.5ChenSC,LinYC,ChengCH.ThenumericalanalysisofstrainbehavioratthesolderjointandinterfaceinaflipchippackageJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006(171):125-131.6LinCK,TengHY.CreeppropertiesofSn-3.5Ag-0.5CuleadfreesolderundersteploadingJ.JMaterSci:MaterElectron,2006(17):577-586.7KerrM,ChawlaN.Creepdeformationbehaviorof