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1、影响表面组装技术中焊接点热疲劳性能的因素及其研究方法总第83期第1期2000年2月电子机械工程Electro-MechanicalEngineering_rofaIN0.83NO.1Feb,2000影响表面组装技术中焊接点热疲劳性能r一【摘要】关键词的因素及其研究方法l8t(南京电子技术研究所210013)本文研讨了影响SMT焊接点热痘劳性能的因素及研究方法.微组装FactorsofInfluenc.ingThermalFatigueofSolderJointinSMTanditsResearchMethod【bstrac】Thispaperdiscussestheactorsofinflue
2、ncingthermalatigueofsoldermmSMTanditsresearchmethod.KeyWordsSMTThermalfatigueSolderjoint引言由于当代电子组件向触型化,薄型化,轻量化发展,表面组装工艺在电子组装工艺中起着越来越重要的作用,而且正在遥步广泛应用于航天,航空,生物医学和海洋学这些要求高可靠性的领域.要获得表面组装件的高可靠性,就必须解决在热循环下载体和基板连接点的热疲劳问题,美国,Et本等一些微电子工业发达国家越来越重视接点可靠性的研究.所谓表面组装件的热疲劳失效是指组件中不同材料制成的元器件因它们热膨胀系数差别较大,在交变温度下,各种元器件的
3、膨胀量不同,相互之间发生制约,在连接点产生交变热应力,最后导致连接点断裂失效的现象.表面组装件的抗低周热疲劳性能是由整个系统的性能决定的,系统的抗低周热疲劳性能主要由环境条件,系统的热性能,连接材料及界面合金层的抗热疲劳性能,以及系统各种材料的配合情况几个方面组成下面分别谈谈这几个方面对热疲劳的影响.,收稿日期l99909202系统的热性能对热疲劳的影响系统的热性能由两个方面组成.一方面是系统的发热元件即热原部分,如功率晶体管,电阻等元件在工作中由于功耗产生热,随着电路的断开,闭合这些元件的发热量大小也在交变.另一方面是系统的散热能力,散热能力由接触界面的导热能力和系统的散热面积这些因素决定.
4、这两个方面相互作用的结果决定了系统的整体温宦和媪度均匀性以及温度变化幅度的大小温度变化幅度越大,热应力应变幅度也越大,组件的抗热疲劳性能越差.这是因为组件温度越高,连接材料的机械性能越差,如图1,圈2,图3可见:随着温度升高,焊料的抗拉强度,蠕变断裂强度,疲劳强度下降,从上可见;系统的热性能对其热疲劳性能有重要的影响系统热性能方面的研究主要致力干系统散热条件的改善,因为发热体功耗是由电路本身的性能决定的,一般不易改变,但系统的散热条件是可以利用一些有效的方法加以改善的,例如增大散热面积,用20年制岛削01002003004BB500K温度图1温度与抗拉强度关系压缩冷空气强迫冷却.用流动液体玲却
5、以及利用导热性良好的H2隙增兀散热能力,使整个系统的温度变化下降.为了降低电路本身的发热量,一些学者开始对超导材料在表面组装中的应用进行研究.3.量舯喜l0失效周期图3失效时间与剪拉力关系3连接材料的抗低周热疲劳性能在表面组装中,各种组件都依靠连接材料把各种不同的元件焊接起来,从功能来看,连接有两种形式.一种是机械连接,另一种是电连接,在表面组装中,有些连接材料不但是机械连接,而且是电连接,如陶瓷载体和基板的连接,有一些只起机械连接作用,如功率芯片与基板的连接.连接材料的种类较多.有银铜焊料,金硅焊料,软焊料等由于软焊料具有成本低,工艺简单等优点,应用较广泛.但软焊料强度低,在交变热应力下,易
6、产生塑变导致低周疲劳.因此,软焊料的抗热疲劳性能与整个组装件的可靠性关系重大,因此,它引起了越来越多人的重视,在这个方面的研究工作主要有以下几个方面:3.1新材料的研制国外一些生产软焊料的公司生产了一整套的软焊料系列来满足表面组装工艺的需要.开发了铟焊失效时闻图2蠕变断裂强度与失效时间关系料系列来提高连接材料的抗低周热瘦劳性能.铟是一种低熔点金属,铟焊料具有以下几个特点(1)铟焊料具有良好的导热性.要比SnPb焊料的导热性好得多;(2)铟焊料具有良好的延性,韧性,具有良好的应力松弛性能.不易产生应力集中,所以它具有良好的抗周热疲劳性能;(31用铟焊料焊接镀金元件和银钯厚膜电路,不尝象Sn焊料那
7、样产生脆性金属间化合物而导致失效.由于锶焊料具有以上几个优良的性能.它越来越受到人们重视.国外一些研究人员认为:随着表面组装工艺的发展,对铟焊料会越来越感兴趣.国内在新焊料的研制方面也进行了一些研究,例如.八七七厂试制了SnSbAg焊料,取得了良好的效果.3.2采用先进的材料生产工艺用快速急冷工艺制取微晶薄带软焊料,细化了先析出相,降低了焊料中杂质的含量,改善了夹杂物的分布,使焊接点组织更致密,结合更牢固,消除了界面处的气穴和热点的产生.大大提高了软焊料的抗热疲劳性能.例如国外一些研究人员利用微晶软焊料成功地用于功率晶体管芯片和基板的连接.热疲劳寿命达七万次以上.用真空熔炼与精炼工艺,尽量降低
8、焊料中的夹杂含量和含气量.因为裂纹源往往易在杂质会聚处形成.焊料中的杂质和含气量直接影响焊料润湿性.日本一些学者通过实验指出:真孔熔炼的焊料的铺展性要比普通焊料超出2O左右.焊料铺展性越好,连接界面处越不易产生气穴,气穴的存在直接影响到连接点的热疲劳性能.JohnH.LauandGirvinHarkms利用有限元法,分析了接点中气孔半径R第1期张德明影响表面组装拄本q焊接点热疲劳性能的周素丑其研究方l法与最大应力之间的关系.指出由于应龙集中,接点中的最大应力位于气的连缘,而且随着气孔半径的增大而增大,另外由于气孔的存在.使接点的热阻急剧增.形成所谓的热点.由于应力集中和热量集中的双重怍用.在气
9、穴处产生微裂纹源.最后导致热疲劳断裂.3.3选择台适的金属化屡表面组装中的连接界面往往由多层金属层组成,在组装和工作过程中.由于化学位的作用,金属界面处不同金属间的互扩散,从而改变了界面层的成份结构和性能.3.4模拟试验通过模拟试验,研究在热循环过程中,接点材料的显微组织,晶粒尺寸的变化及其对其抗热疲劳性能的影响,并从众多的焊料品种中找出抗热疲劳性能良好的焊料.国外一些研究人员通过对各种焊料热疲劳性能的研究,得到如表1结果从表可见:不同焊料的热疲劳性能相差很大,而且,材料的显微组织对其热疲劳性能有着密切的联系JamesL.MarshallProfesser利用扫描电镜和能谱分析的方法.分析了引
10、起接点失效的原因,观察了在热应力应变过程中,显徽组织变化,合金元素分布,直至表面微裂纹产生,导致最终断裂的动态过程H.JFrostR.JHowardP.R.LaveryandS.DLutender研究了在热循环过程中,高铅焊料显徽组织变化与其蠕变屈服强度的关系,指出在热循环过程中,显微组织会发生一系列的变化,不同的显微组织会有不同的屈服强度,在单相基体上分布细小弥散的第二相微粒会使其屈服强度增加,提高其抗低周蠕变疲劳断裂的性能GeorgedD.ClockJR利用模拟对比试验,研究了杂质含量对热疲劳性能的影响,指出:焊料中舍A1,Au,W等元素时更易发生热疲劳断裂.裹1焊料的癌劳抗力(相对于Sn
11、63Pb37焊料)台金相对疲劳寿命组织96/43.03单相96/5Sn/Sb2.10单相62/36/2Sn/Pb/Ag1.14二相63/37Sn/Pb1二相59/37/4Sn/Fb/SbO.66二相40/60Sn/Pb0.61marl4环境条件对热疲劳性能的影响环境条件一般指以下几个方面:(1)环境温麈的高低殛变化幅度的大小;(2)环境的机械振动大小;(3)环境的气氛.例如:用于机械的表面维装件,飞机的起飞降落使得环境温度发生变化,导致组装件的温度也发生急剧变化.产生热应力,环境媪度也影响组装件的散热能力,因为根据牛顿换热定律:一?AT式中:a一导热系数;?器件和环境的温度差;口一散热通量.环
12、境温度越高一AT越小一q越小?热量越不易散失.使组装件的整体温度上升.抗热坡劳性能下降.振动使表面组装件产生附加机械应力,机械应力和热应力相互叠加加强组件的疲劳断裂,国外在这个方面比较重视.对放置在振动较大的机器上的组装件艘都进行减振设计.环境的气氛对热瘦劳性能也有重要影响,由于材料长期处于较高温度,在活性气氛中极易腐蚀,材料表面上产生脆弱的腐蚀生成物,由于热循环引起的应变反复而产生龟裂或剥落,这也是导致应力集中的原因之一.在微裂纹处.由于腐蚀,在裂纹尖端形成脆弱的腐蚀生成物,使裂纹扩展激话能大大降低,导致材料的抗热疲劳性能大幅度下降.在气氛对表面维装件热疲劳性能的影响这方面的研究还比较少,但
13、这是一个值得非常重视的问题.5材料的组合对组件热疲劳影响在表面组装中.根据需要选用多种不同的材料,这些材料的膨胀系数差别如表2所示.由表2可见:不同材料的热膨胀系数差别很大.为了改善这种不匹配性,国外一些研究人员正在致力于研究新的基板材料.例如,为了解决基板和陶瓷载体之间热膨胀量的不匹配性,国外研制成功了如图4所示的复合材料,这种复合材料由镀铜因瓦板和环氧树脂制成,它的搿胀系数可以和陶瓷载体相匹配,大大提高了电子机械工程2I)00拒组件的抗热疲劳性能另外,利用负嘭胀系数的芳伦和环氧封脂制成的复合材料在解决热膨胀量不匹配性方面也取得了良好的效果.表2不同材料的线膨胀系数线膨胀系数线膨胀系数村名称
14、材料名弥(PPn/C)(PPm/)硅34银19.7铜16,7铝23.6钳S,3桐伐台盒6盒l4.299.5氧化链6钨4.4环氧树脂板14.18镀铜因瓦板5.7AlO35.7环氧树腊扳圈复合材料结构简圈6组装工艺对热疲劳性能影响焊接过程是一个合金重熔结晶过程,它直接影响连接点的金相组织,采用台理的焊接工艺,例如,采用激光钎焊获得均匀,细小,致密的金相组织对提高焊接点的抗热疲劳性是非常重要的.焊脚的形状,高度对控制热应变量降低热应力也有重要影响,一些学者和J用有限元分析法,分析了焊脚形状对热应力应变的影响,指出不同的焊脚形状和高度直接影响焊点的热应变和热应力的大小.例如,JohnHLauandGi
15、rvinHarkins研究了SOIC的焊脚高度对热应力的影响,指出焊脚越高,应力越小.疲劳寿命越长.可见选择合理的焊接工艺和接点形状对提高焊接点的热疲劳性能是非常重要的.从前面分析可知:表面组装件的抗热疲劳性能是由诸多雹素决定的.我们面临这样两个问题:(1)对于一定功率密度,在一定环境温度下工作的组装件,应该选用什么样的焊料.什么样的散热手段,什/厶样的结构才能保证组装件的热疲劳寿命在所希望的范匣内.(2)什么样的盏接材料和金属化屡匹配才能使其具有最佳的抗热疲劳性能.要回答这两个问题,就必须弄清热应力,热应变和热循环与材料热疲劳性能之间的关系.就必须开展对材料热疲劳性能的定量研究从而找到预测材
16、料热疲劳性能的方法.本世纪50年代已作了一些合金的高温低循序渐进疲劳数据,开始探讨其影响因素6O年代以来,陆续提出了一些经验半经验的热疲劳寿命预测方法.MansonCoffin关系式不仅为低循环疲劳从定性到定量研究,而且奠定了低循环热疲劳寿命预测的基础.=MZz式中:M,Z为常数;Z,t断裂循环数:塑性应变.近来,在MansonCoffin公式的基础上,发展了应变范围区分模型等更先进寿命预剥方法,在理论上,为研究低周热疲劳打下了基础.为了对表面组装件进行热疲劳的定量研究,必须利用模拟试验的方法,为表面组装件的热疲劳设计提供有力的设计依据.国外在这个方面进行了大量的研究,研究的方法大致有以下几种
17、:(1)直接采用平面弹簧的弯曲所产生的机械应力来模拟热应力.这种试验装置由平面弹簧,平面弹簧位移控制块,平面弹簧位移驱动机构三部分组成.在平面弹簧上装有模拟载体,通过谰节平面弹簧位移控制块来调节平面弹簧的弯曲程度,使平面弹簧和模拟载体之间机械应力发生变化,应变频率可以通过驱动装置来改变.这种模拟装置结构简单,使用方便,特4适用于用来模拟印制板和载体之间接点的热疲劳,但这种模拟装置难以获得准确的应力,应变量,所以一般用作对比试验.(2)采用电阻等发热体来模拟热疲劳,它依靠发热体的功率和通断时间来模拟功率器件的热循环.这种装置也只能用来进行模拟对比试验.(3)利用特殊设计的热疲劳试验机来进行低周热
18、疲劳研究.这种试验机一般由温度控制系统,应变位移控制系统,检测系统三部分组成,温度和应变第1期张德明:影响表面组装技术中焊接点热疲劳性能的周索及研究方法可以随意设定t所以这种模拟试验机具有功能全,数据准确,结掏复杂等特点,可以进行温度对材料热疲劳性能的影响和应变量大小对热疲劳影响这两个方面的研究工作,可以为表面组装件的设计提供有力的设计依据所以.第三种试验方法对热疲劳问题的研究有更重要的作用.以上谈了表面组装工艺中热疲劳问题的影响因素和研究方法,总之,热疲劳问题是影响表面组装件可靠性的关键问题之一也是电子器件向轻型化,微型化,薄型化发展过程中必,面解决的问题,它涉及到可靠性数学,物理,冶金科学
19、,半导体技术,传热学,力学等多种学科的综合性技术,我们必须高度重视这一问题,开展细致,扎实的研究工作,这对表面组装工艺的发展是非常重要的.参考文献(1JohnH.LauDonaldWRice.SolderJointFatigueinSufaceMountTechnologyStateoftheArtSolidStateTechnology,1985-11(2AVRAMThermalManagementofAirandLiquidCooledMultichipModulesIEEransationson(SampontsHybridsandManfacturingFechnology.VolCH
20、MT10.】9873)RobertKeeler.SpecialtySoldersOutshineTia/LeadinProblemAreasElectronicPackagingandProduction.Vol27,1987【4)田中和吉着.电干产品焊接技术.北京:电子工业出版让,1984.9(5)SubbaraoPinamaneaandDavidASolemon.RapMlySolidifedSdtDieAttachTechnobgy1EEE,1986(6)JohnHlouandGirvinHarkinsThermalStressAnalysisofSOICpackagesandInter
21、connections.38thElecttonicComponentsConference.(7)平修二着.热应力与热疲劳.北京:国防工业出版社,1984.I18HKCharles.表面组装焊接的热机械性能理论和宴验比较.35届电子元器件会议论文集,1985张德明男,高级工程师,主要从事电于设备的制造工艺工作.(上接第13页)光至R.0,2m,旋转环(软环)用铝青铜研磨至R0.4,am.(2)安装要求(a)密封部位的轴或轴套外径大于50mm120mm;径向跳动0.06mm;表面粗糙度Ra3.2m,外径尺寸公差为(b)对旋转轴的要求:轴向窜动量0.1mm(c)对密封腔体定位端面的要求:表面跳动0.06mm.4结论该铰链是针对我所某雷达产品应用而设计的,动态测试,性能满足指标要求.其中的机械动密封可广泛运用于其它机械工业,石油和化工工业,航天和字航工业等备类旋转机械中,应用前景广阔参考文献(1机械设计手册(第4卷).北京1993(23机械设计手册.机械设计计算工业出版社.1983机械工业出版社中册.第_I版.化学王良英女.工程师,主要从事地面雷达伺服结构的设计,研究工怍.