（化工过程机械专业论文）焊锡钎料温度与应变率相关拉伸性能的本构描述.pdf

中文摘要1 不同锡含量的锡铅钎料在不同温度和不同应变率下的恒应变率拉伸 试验结果表明：焊锡钎料的机械性能，如拉伸强度、屈服应力和弹性模量， 不仅和试验的温度和应变率有关，同时与锡含量也有关系。焊锡钎料的应 力应变关系表现出很强的温度和应变率相关性，同时也因含锡量的不同而 表现出不同的特征。 本文根据拉伸试验结果，分别给出了拉仲强度、屈服应力和弹性模量 与锡含量、温度和应变率关联的经验公式，预测的结果均在1 2 5 倍的分散 带内。 为了分析统一型粘塑性a n a n d 模型在描述钎料本构行为方面的能力， 本文依据试验的应力应变数据确定了不同锡含量钎料的a n a n d 模型参数， 对试验结果进行了预测。结果表明，a n a n d 模型可以较好的模拟共晶钎料 在试验温度和应变率范围内的本构行为，对高铅钎料合金在低应变率的应 力应变行为的预测较为合理，对高应变率下的本构行为的预测有偏差。 本文也采用内蕴时间本构模型对试验结果进行了描述。通过在该模型 中引入了率相关函数和温度相关函数，对钎料的不同温度和应变率应力应 变行为的预测较好的吻合了试验值，表明该模型能描述锡铅钎料的粘塑性 本构行为，在锡铅钎料的可靠性模拟和失效分析中有一定的可行性。 关键词：锡铅钎料，应力应变关系，本构行为，a n a n d 模型，内蕴时间本 构模型 1 本课题获国家自然科学基金资助( 1 0 2 7 2 0 8 0 ) 和教育部高校青年教师奖资助 a b s t r a c t 2 as e r i e so ft e n s i l et e s t sa tc o n s t a n ts t r a i nr a t ew e r ec o n d u c t e do nt i n - l e a d b a s e ds o l d e r sw i t hd i f f e r e n ts nc o n t e n tu n d e raw i d er a n g eo ft e m p e r a t u r e s a n ds t r a i nr a t e ss h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o l d e rs u c ha s t e n s i l es t r e n g t h ，e l a s t i cm o d u l u sa n dy i e l ds t r e s sh a v ec l o s er e l a t i o n s h i pw i t h t e s tt e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t ea n ds nc o n t e n ta sw e l la n dt h a tt h es t r e s s 。s t r a i n r e l a t i o n s h i p sh a v es t r o n gt e m p e r a t u r e a n ds t r a i nr a t e - d e p e n d e n c ea n dv a r ya 1 i t t l ei nc h a r a c t e r sd u et os nc o n t e n t b a s e do nt h et e s t r e s u l t s ，e m p i r i c a le q u a t i o n s f o r p r e d i c t i n g t e n s i l e s t r e n g t h ，e l a s t i c m o d u l u sa n d y i e l d s t r e s sw e r ef i t t e da s af u n c t i o no f t e m p e r a t u r e ，s t r a i n r a t ea n ds nc o n t e n t t h ep r e d i c t e dv a l u e sf e l l w i t ha s c a t t e rb a n do fi 2 5 t h e p a r a m e t e r so f a n a n dm o d e lf o rs o l d e r sw i t hv a r y i n gs nc o n t e n tw e r e d e t e r m i n e da n du s e dt os i m u l a t et h et e s td a t a t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta n a n d m o d e lc o u l da d e q u a t e l yp r e d i c tt h er a t e a n dt e m p e r a t u r e r e l a t e dc o n s t i t u t i v e b e h a v i o r so fe u t e c t i cs o l d e r s a ta l lt e s t t e m p e r a t u r e s a n ds t r a i nr a t e s p r e d i c t i o no fs o l d e r sw i t hh i g h - l e a dc o n t e n tg a v eg o o dc o r r e l a t i o nw i t ht e s t d a t aa tl o w e rs t r a i nr a t e sa n dd e v i a t i o na th i g h e rs t r a i nr a t e s w i t h r a t e s e n s i t i v i t y a n dt e m p e r a t u r e - s e n s i t i v i t yf u n c t i o n si n t r o d u c e d i n t ot h eb a s i ce q u a t i o n s ，e n d o c h r o n i cc o n s t i t u t i v em o d e lw a sa l s oe m p l o y e d t os i m u l a t et h et e s tr e s u l t sa n dt h ep r e d i c t i o ns h o w e dt h a t t h i sm o d e li s e f f e c t i v ei np r e d i c t i n gv i s c o - p l a s t i c i t yb e h a v i o r so f s o l d e r sa n dh a sf e a s i b i l i t y i nt h er e l i a b i l i t ys i m u l a t i o na n df a t i g u ea n a l y s i so fs o l d e r s k e y w o r d s ：t i n - l e a db a s e ds o l d e r ，s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p ，c o n s t i t u t i v e b e h a v i o r ，a n a n dm o d e l ，e n d o c h r o n i cc o n s t i t u t i v em o d e l 2t h epr o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 10 2 7 2 0 s 0 ) a n d t h e t e a c h i ；ga n dr e s e a r c ha w a r dp r o g r a mf o ro u t s t a n d i n gy o u n g t e a c h e r si nh i g h e re d u c a t i o n i n s t i t u t i o n so fm o e ，pr c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：始硝签字日期：加牟年月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期：弘d 中年月7 日 硝7 勉阳 虢 僻 睹 沙 蚊 嗍 就 耕 籼 登 日u 舌 当前，全球已经进入了信息时代，电子信息技术极大的改变了人们的生 活方式和工作方式，并成为体现一个国家国力强弱的重要标志之一。半导体 集成电路技术是电子信息技术的基石。1 9 4 7 年晶体管发明的同时，微电子封 装就开始了发展的历史。封装在满足器件的电、热、光和机械性能的基础上 解决了芯片与外电路的互连问题，对电子系统的小型化、可靠性和性价比的 提高起到了关键作用。 现代电子信息技术的飞速发展，对电子产品的小型化、便携化、多功能、 高可靠性和低成本等提出了越来越高的要求。现今，微电子封装已经逐渐摆 脱作为微电子制造后工序的从属地位而相对独立，针对各种电子产品的特殊 要求，发展了多种多样的封装技术，如q f p ( 四边引脚扁平封装) 、b o a ( 球 栅阵列) 、c s p ( 芯片尺寸封装) 、f c ( 倒装芯片法) 、m c m ( 多芯片组件) 和3 d ( 三维或立体) 封装技术。 大多数的微电子封装技术都要求通过焊点直接实现异材间的电和机械 的连接。随着新型封装技术的出现和迅猛发展，芯片互连中日益使用倒装焊 技术，焊料凸点的应用越来越广泛，互连材料越发重要。s n - p b 软钎料因为 熔点低，导电性好，作业温度不损伤器件，作业性能优良，润湿性好，接头 可靠性高，成为广泛的使用在电子封装及电子产品中的一种软钎焊材料。 电子器件在封装及服役条件下，由于功率耗散和环境温度的变化，因印 制电路板、芯片和焊点三者的热膨胀系数不匹配，会在s n p b 焊点内产生交 变的应力和应变，导致焊点的热疲劳失效。焊点的热疲劳失效( 可靠性) 是电 子封装领域的关键问题之一。锡铅钎料的力学行为则是可靠性研究的基础之 一。 国内外许多学者在此方面进行了大量的试验研究和分析，试图寻找出合 适的本构模型来描述锡铅钎料的力学行为，为钎料的可靠性分析提供合理的 基础。但是在众多的模型中，只有统一型粘塑性a n a n d 模型有较好的实际适 用性。但该模型能否对锡铅基钎料中不同锡含量的钎料都能进行合理的描述， 没有文献报道。 内蕴时间理论是基于不可逆热力学理论发展起来的一种塑性理论。自从 该理论在七十年代提出并加以完善后，已经被发展为能解决复杂弹塑性应力 应变分析的有效工具，而且，广泛使用在各种材料领域的试验和研究中。但 是至今没有看到该理论用于描述锡铅钎料的本构行为的文献。 本文根据不同锡含量的五种锡铅钎料在一系列不同温度( 3 1 3 k 一3 9 8 k ) 和不同应变率( o 0 0 1 i s 1 0 i s ) 的恒应变率拉伸试验数据，分析了钎料的 机械性能随温度、应变率和锡含量的变化，给出了相应的参数方程并对试验 结果进行了预测。采用a n a n d 统一粘塑性模型对钎料拉伸试验的应力应变行 为进行了数值模拟，发现该模型能够合理的描述不同锡含量钎料的变形行为， 是进行锡铅钎料的可靠性模拟和疲劳分析的有利工具。通过在基本方程中引 入率和温度相关函数，本文也使用内时本构模型对部分试验结果进行了预测， 表明此模型亦可以描述锡铅钎料的粘塑性变形行为，在锡铅钎料的可靠性分 析领域存在可行性，推广了内时理论的应用范围。 第一章文献综述 1 1 微电子封装技术 第一章文献综述 自1 9 4 7 年美国电报电话公司( a t t ) 贝尔实验室的三位科学家巴丁、 布莱顿和肖克莱发明第一只晶体管起，微电子封装的历史就丌始了。 微电子封装技术是为基本的电子电路处理与存储信息建立互连和一个 合适的操作环境的科学和技术。它涉及到诸多材料的制备与加工技术。微电 子封装技术原本是芯片生产的后期工序之一，但其一直追随着i c ( 集成电路) 的发展而发展，每一代i c 都会有相应一代的封装技术相配合。以i n t e l 的 x 8 6 系列处理器为例，对应着2 8 6 、3 8 6 、p e n t i u m 、p e n t i u mi i i ，其封装技术 也依次经历了d i p ( 双列直插式封装) 、q f p 、b g a 到f c 、c s p 的发展。所 以，封装技术的发展不断促进芯片封装技术达到新的水平。 现在，微电子封装技术已经成为与微电子工业中设计与制造并列的另一 关键技术。电子产品的便携式、小型化、网络化和多媒体化的市场需求要求 集成电路向着超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向迅 速发展，以及计算机、通信、汽车电子和其他消费类系统的蓬勃发展都对微 电子封装提出了更高的要求，使得封装己变得和芯片本身一样重要，微电子 封装受到空前的重视。 微电子封装的作用非常重要。虽然直观上一块i c 制造出来了，就包含 了所设计的一定功能，只要使用中能有效地发挥其功能，并具有一定的可靠 性，芯片要不要进行封装看来似乎是无关紧要的一件事，因为封装本身不添 加任何价值。相反，不适宜的封装反而会使其功能下降。事实上，系统丌发 者很早就试图摆脱封装，将i c 直接安装到电路基板上。这种想法在1 9 6 0 年 i b m 公司开发的凸点倒装芯片和a t & t 公司开发的梁式引线所强化，并接 着由d e l c oe l e c t r o n i c sl u c e n t 公司成功的将芯片倒装焊到了陶瓷基板上而得 到了实现。但是要普遍使用这种不封装的i c ，由于种种原因，至今仍未能实 现。这主要是因为使用经封装的i c 有诸多好处，如对脆弱、敏感的i c 芯片 加以保护，易于进行测试，易于传送，易于返修，引脚便于实行标准化，进 而适于装配，还可以改善芯片的热分配等等i ij 。所以，对各类芯片仍要进 行封装，使之为芯片的正常工作提供通常的电源分配、信号分配、散热通道、 机械支撑和环境保护等功能。没有一个芯片可以不用封装就能正常工作，封 第一苹文献综述 装对芯片来说是必不可少的，i c 生产的大部分费用在封装上。i c 封装技术将 越来越成为i c 产业的瓶颈。 从硅圆片制作出各类芯片开始，微电子封装可以分为三个层次，即： 一级封装一一用封装外壳将芯片封装成s c m ( 单芯片组件) 和m c m 二级封装一一将一级封装和其他元器件一同组装到p w b ( 印制电路板) 上 三级封装将二级封装插装到m b ( 母板) 上 零级封装一一在i c 芯片和各级封装之问，还要通过互连技术将i c 芯片 焊区与各级封装的焊区连接起来 芯片互连技术即组装工艺主要有w b ( 引线键合) 、t a b ( 载带自动焊) 和f c b ( 倒装焊) 。早期还有梁式引脚结构焊接，但是因其工艺复杂，成本 高，不适合批量生产，已逐渐废弃。一级封装技术主要有d i p 、p g a ( 针栅 阵列) 、s m t ( 表面安装技术) 和c s p 。二级封装主要有t h t ( 通孔安装技 术) 、s m t 和d c a ( 芯片直接安装技术) 。3 d 封装是一种立体封装技术，是 在一维组装的基础上向z 方向发展的三维封装技术。 微电子封装的基本类型约每1 5 年变更一次。1 9 5 5 年起主要是t o 型圆 形金属封装，封装对象主要是晶体管和小规模集成电路，封装引线数为3 一1 2 线：1 9 6 5 年起兴起了d i p ，陶瓷d i p 、塑料d i p 相继出现，引线数增加到6 6 4 ， 引线间距为2 5 4m m ：1 9 8 0 年开始出现了s m t ，主要封装形式有翼形9 1 线封 装、j 形引线封装、s o p ( 小外形封装) ，p l c c ( 塑料有引线芯片载体) 、p q f p ( 塑料四边引脚扁平封装) 等，封装的引线数为3 3 0 0 ，间距为1 2 7 0 4m m ； 1 9 9 5 年以后，b g a 逐渐兴起，焊球排布在封装的底面，直径为1 5 1 0 m m ， 焊球数增加到可以超过1 0 0 0 个。b g a 的兴起和发展尽管解决了q f p 面临的 困难，但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电 路组件的要求，也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步 接近芯片本征传输速率的要求，因此又出现了f c 和c s p 封装技术。 1 2 微电子封装材料 微电子封装材料为i c 产品发展进步的一个不可缺的后端产品。i c 封装 所需材料主要包括： 1 ) 基板材料( s u b s t r a t e ) 一一包括引线框，焊接框架，铅框架，b g a 基 板，挠度基板，陶瓷基板。 2 ) 联机( b o n d i n gw i r e ) 一一包括金线和铝线。 第一苹文献综述 3 ) 厚膜材料( t h i c kf i l mm a t e r i a l s ) 一一包括厚膜导体、厚膜电阻、厚 膜电感、厚膜介电材料及聚合物厚膜材料。 4 ) 芯片互连材料( d i e a t t a c hm a t e r i a l s ) 一一用于将芯片与基板的连接。 5 ) 芯片倒装材料( f l i pc h i pu n d e r f i l l ) 一芯片倒装材料用于芯片倒装 时提高焊球与基片连接强度及可靠性，要求材料具有良好流变性、 低线性膨胀系数、以及高纯度等特性。 6 1 芯片包封材料( e n c a p s u l a n t ) 一一用于芯片机械及环境保护，要求 材料具有低线性膨胀系数以及高纯度等特性。 7 ) 光纤器件封装材料( m a t e r i a lf o rf i b e ro p t i cp a c k a g i n g ) 一一光导纤 维器件是近年来发展起来的新兴工业。在未来十年内，随着光纤通 信及数据通信以及计算机网络化的发展，适合于光纤系统的封装材 料必然有巨大的市场潜力。 大多数的微电子封装技术都要求通过焊点直接实现异材间的电和刚性 机械连接。由于器件微小型化和i c 的i o ( 输入输出) 引脚数增加的原因， 加之近几年来b g a 、c s p 以及w l p ( 圆片级封装) 等新型封装技术的迅猛 发展，芯片互连中日益使用倒装焊技术，焊料凸点的应用越来越广泛，芯片 互连材料突显重要。其中最常用的就是锡铅钎料。 1 3 微电子封装中的芯片互连材料 微电子封装中的i c 芯片互连的材料主要有四大类：锡铅钎料、无铅钎 料、导电胶及各向异性导电胶“，如表1 1 所示。 表1 - 1 芯片互连材料 t a b 1 1m a t e r i a l sf o rd i eb o n d i n g 锡铅钎料无铅钎料导电胶各向异性导电胶 5 s n 9 5 p b s n - a g 系 4 0 s n 6 0 p bs n b i 系 环氧树脂- a g 、n i 、c u 球 6 3 s n 3 7 p b 等s n z n 系等 导电胶和各向异性导电胶都属于导电性粘接剂，都是在环氧树脂中添加 定量的导电微粒如a g 、n i 和c u 等，用加热、u v 和加恐方法进行固化，使 l a 第一苹文献综述 导电粒子连接各种电极而导电。导电胶粘接剂虽已经达到实用化，但是由于 导电性差、与焊接相比接合强度低、工艺步骤多、成本高、不能维修及难以 使用现有焊接设备等而使得这种方法只能作为一定使用领域中i c 芯片凸点 与基板电极间的互连手段，还远不能替代锡铅钎料的焊接方法。 钎料也称为焊料，已经有很长的使用历史。最早使用的钎料大多是金基 的钎料。考古学证据，早自公元前4 0 0 0 年，金基钎料因其较好的抗腐蚀性能 广泛在整个地中海地区使用，主要在珠宝制作业中应用1 2 l 。现在，金基钎料 仍然以抗蚀性强、蒸气压低并有很好的流动性及润湿性、可钎焊铜、镍和不 锈钢等优点，特别适用于电真空器件以及航空发动机等重要零件的钎焊，在 航空工业和电子工业中得到广泛应用。 与金基钎料类似，铝基钎料、银基钎料、铜和黄铜钎料， 金属钎料等因为熔点在4 5 0 c 以上，机械性能较高，大部分在 贵 以 上，习惯上把这些难熔钎料都称为硬钎料。但是现在通常所说的钎料指的是 软钎料。软钎料指的是熔点温度在4 5 0 以下、机械强度不到1 0k 涎m ：的 钎料，如以锡、铅、锌、镉、铋等金属为基的合金。 。“ 锡铅合金就是一种软钎料，也是至今最常用的一种焊点材料。锡铅钎料 之所以在电子工业中长期使用，归因为它有许多优良的焊接特性。钎料中的 锡，在焊接过程中，由于冶金反应，能与母材金属形成合盒而达到牢固焊接。 虽然铅没有这种功能，但是，铅加入锡后，就具有了这二者都不具备的优良 特性，如能降低熔点，便于焊接；能提高抗拉强度和剪切强度，大大的改善 机械性能；可以降低表面张力，有利于钎料的润湿性；可以提高抗氧化能力， 利于钎料与母材金属的焊接。 目前，锡铅钎料因为熔点低，共晶温度仅为1 8 3 ，作业温度不损伤器 件，作业性能优良，润湿性好，接头可靠性高，成为广泛的使用在电子封装 及电子产品中的一种软钎焊。而且，锡铅合金的软钎焊性能极佳，且具有适 当的柔软性，可减缓对钎焊部位的冲击，而不易产生剥离。另外s n p b 钎料 使用普通的树脂、焊剂、屏蔽加工设备和廉价的添加物，价格也较便宜【3 i 。 随着电子封装材料和技术的更新换代，人们在追求产品的高性能的同 时，更注重它的无毒、绿色、环境友好等特点。锡铅焊料虽然有很多优点， 但是其中的铅为有毒金属，对人体有害。随着电子工业的飞速发展，锡铅钎 料的用量大增。大量含有锡铅的电器设备、制品使用后被废弃，大部分没入 地下。其中含有的铅遇雨后成为易溶于水的状态，特别是遇酸雨更加速了铅 的溶出，污染地下水和土壤，形成日益严重的环境问题。而且，锡铅钎料还 存在剪切强度低、抗蠕变和热疲劳性能差等不足，无法满足环保和高可靠性 的需求。于是从9 0 年代开始，研究开发无铅焊料就成了业界的关注热点 3 】。 第一章文献综述 无铅焊料的设计思路为以s n 为基本主体金属，添加其它余属，使用多元合 金，利用相图理论和实验性能分析等手段，y l ：发新型合金。现在国际上公认 的无铅钎料均指那些以锡为基体，添加了a g 、c u 和i n 等其他元素而铅的质 量分数在0 2 以下的主要用于电子封装的软钎料合金阱】。 无铅钎料的研制开发方面已经取得了很大的进展，但仍存在一定的问 题，使得无铅钎料在短期内还不能完全代替锡铅钎料 3 ，4 1 ，如，无铅软钎料与 锡铅共晶钎料相比润湿性差，作为改进方案虽提出了进行表面处理，但还没 有合理的解决方法；印制电路板上接合的主要材料铜配线、框架及元件电极 等母材与无铅软钎料润湿后，母材金属向钎科溶解，形成金属间化合物等， 提高了铜的溶解速度，引起在微细接台部多发生铜细线溶断、断面减小造成 的强度下降及阻抗增加等问题；绝大多数无铅钎料需要更高的钎焊温度，再 流焊温度约为2 2 0 2 5 0 ，波峰焊温度约为2 4 0 2 6 0 。c 。这可能与现有的一 些材料、元器件和设备不兼容；无铅钎料的工艺窗口与锡铅钎料相比要窄得 多，钎焊设备及工艺需要作出改进以配合较高的钎焊温度，也需要更具柔性 的再流焊设备。鉴于此，锡铅基钎料实际上仍是目前凸点制作的主流材料f 5 】。 1 4 钎料焊点的可靠性及其研究 1 4 1 焊点的类别 大多数芯片互连技术都要求在i c 芯片的a l 焊区制作焊点。除了铝凸点， 其余凸点都需要在铝焊区和它周围的钝化层或氧化层上先形成一层粘附性好 的粘附金属，一般为数十纳米厚的c r 、t i 、n i 层；接着在粘附会属层上形成 一层数十至数百纳米厚的阻挡层金属，如c u 、n i 、m o 层等，以防止上面的 凸点金属越过薄薄的粘附层与铝焊区形成脆性的中间金属化合物；最上层是 导电的焊点金属，如s n p b 、a u 、c u 。这就形成了粘附层一阻挡层一导电层 的多层金属化金属系统。在此系统上可用多种方法形成不同尺寸和高度要求 的焊点金属，如蘑菇状的、柱状的、球形的、材料有a u 、c u 和s n 。p b 。球 栅阵列封装和芯片尺寸封装则需要在印制电路板上制作焊点，常采用的也是 共晶或准共晶锡铅钎料，焊点和封装体的连接不需要另外的焊料。图1 1 为 一种典型的倒装焊的凸点结构。 根据焊点所处位置，芯片互连可分为三种类型：( 1 ) 金属凸点制作在芯 片的电极上；( 2 ) 金属凸点制作在电路基板的焊区上：( 3 ) 金属凸点同时制 作在芯片的电极和基板的焊区上。将金属凸点制作在芯片电极上时，可充分 第一章文献综述 利用制造芯片的技术和设备。将凸点制作在电路基板焊区上的优点是能缩短 芯片的加工时间。将金属凸点同时制作在芯片和基板上，虽然工艺较复杂， 然而可增大凸点高度和体积，有效提高芯片与基板之间的互连强度6 1 。 焊料凸点 1 4 2 焊点的失效 图1 一l 典型的倒装焊连接凸点结构 f i g 1 - 1t y p i c a lb u m p s t r u c t u r eo ff c b 玻璃 焊点在实际工作过程中的失效过程一般为，焊点中的热机械循环引起塑 性变形一裂纹萌生一裂纹扩展一失效。从焊点实际经受的温度来看，焊点发 生了蠕变变形；而从器件频繁开关造成温度循环及服役环境温度的改变来看， 出于连接各部分材料热膨胀系数不匹配，焊点经受了热应力一热应变循环。 因而有学者侧重于从疲劳失效角度建立模型，而另一些学者则侧重干从蠕变 失效角度建立模型。也有人认为失效是蠕变和热循环的共同作用。过去对焊 点失效的分析以及可靠性预测是静态的。而实际上，在服役过程中焊点的组 织结构也会发生变化，而这种变化必然会影响焊点机械性能。电子封装中焊 点的可靠性是电子元器件可靠性的关键。可靠性研究的目的有两个：首先要 研究在焊接及焊点服役过程中，哪些因素会影响焊点的可靠性，从而给焊接 工艺和焊点的设计提供依据；其次是研究焊点在服役过程中的变化规律，从 而找到焊点寿命的预测方法i _ ，j 。 1 4 3 对锡铅钎料力学行为的研究 电子器件在封装及服役条件下，出于功率耗散和环境温度的变化，因材 料的热膨胀失配在s n p b 焊点内产生交变的热应力和热应变，导致焊点的热 疲劳失效。焊点的热疲劳失效，即可靠性问题是电子封装领域的关键问题之 一。许多研究都表明：焊点的可靠性一方面取决于焊点材料的力学性能，另 第一蕈文献综述 一方面和焊点的几何形状密切相关i s l 。 锡铅钎料的力学行为是可靠性研究的基础之一。国内外许多学者在此方 面进行了大量的试验研究和分析，试图寻找出合适的本构模型来描述锡铅钎 料的力学行为，为钎料的可靠性分析提供合理的基础。 l a u 9 ，”将钎料看作为具有线性应变强化且其变形与应变率无关特征 的弹塑性材料，对表面安装封装的钎料焊点的瞬态应力进行了动态分析，并 用有限元法成功模拟了焊点的动态特性。基于弹塑性模型，l a u l l 2 a 3 1 采用三 维非线性有限元法对表面封装器件的s n p b 钎料焊点的热应力热应变进行了 分析，并详细说明了应力应变的分布，但是钎料的温度效应被忽略了。 h a r v e ye ta l ( 1 使用简单的幂率函数来描述剪切应力、剪切应变和剪切 应变率之间的关系。通过分析得出结论，和钎料6 0 s n 一4 0 p b 相比，铅含量高 的钎料对温度的依赖性小，对应变率的敏感性差，并且没有明显的包辛格效 应。 w e i n b e l t l5 】和d a r v e a u x i l 6 】对钎料力学行为进行了研究，提出了一种双曲 正弦幂率函数来撼述锡铅基钎料的本构行为；相比较简单的幂率函数，这一 模型能够很好的预测低应力和高应力下的蠕变流动特性，但是，不足之处在 于，该模型仅为一经验模型，缺乏普遍接受的机制进行解释，也无法说明模 型中的应力指数和激活能与温度的相关性。 s h ie ta l i 。7 】为了能较理想的描述6 3 s n 3 7 p b 的蠕变流动行为，修f 了阿伦 纽斯幂率形式的蠕变本构模型，并成功的解释了试验表现出的应力指数和激 活能的温度和应力相关性现象。 w e i s ee ta l i i s 通过对6 3 s n 一3 7 p b 微钎料焊点进行了循环剪切试验和蠕变 试验，研究了微焊点的变形行为和裂纹扩展，并采用非线性的三维有限元法 对试验进行了模拟，发现微焊点的变形很接近具有相似微观组织结构的大焊 点的变形，而且，裂纹总是在焊点的上三分之一或下三分之一处沿着与剪切 力平行的方向扩展。 有一段时期，对s n p b 钎料非弹性变形的处理，普遍采用把与时间无关 的塑性应变和与时间有关的蠕变应变分丌处理的形式19 ，2 0 ，2 ”，用弹塑性蠕变 模型来描述钎料的应力应变行为，把s n - p b 钎料的力学特性考虑为遵循胡克 定律的可恢复弹性变形、遵循v o nm i s e s 屈服准则的塑性变形和与时间有关 即与应变速率有关的蠕变变形，并且两者独立作用。d a r v e a u x ”j 采用这种模 型描述了6 2 s n 3 6 p b 2 a g 、6 0 s n 一4 0 p b 、9 6 5 s n - 3 5 a g 和2 5 s n 一9 7 5 p b 四种钎 料合金的应力应变行为，并基于蠕变实验和恒应变速率实验数据确定了本构 关系的材料参数。 基于非线性连续介质力学方法，塑性变形速率和蠕变变形速率均与位错 第一苹文献综述 运动速率相关，产生于同一机制。因此，采用统一型粘塑性本构描述s n p b 钎料的变形行为将更为合理，也是人们所期望的。 ，馔翌 b u s s o 2 2 , 2 3 采用单一内变量背应力状态建立了一种s n p b 钎料的粘塑性 本构方程，该模型描述了钎料形变所需的热激活能与实测应力的依赖性以及 应变硬化的包辛格效应。该模型考虑了运动强化对塑性流动的影响，但是忽 略了各向同性强化和静态恢复项对塑性流动起的作用。 s k i p o re ta l l 2 刮对6 3 s n 一3 7 p b 进行了不同温度下的拉伸和蠕变实验，并采 用了统一型b o d n e r - p a r t o m 模型分析研究了该材料的本构响应，发现模拟数 值与试验数据存在偏差，尤其是蠕变数据，偏差接近一个数量级，而且该模 型在讨论的低应变区对应变率过于敏感。马鑫等 2 5 , 2 6 】也使用基于单一内变量 材料硬化的b o d n e r - p a r t o m 粘塑性本构方程，在应变率1 0 一s 1 0 - 2 s 、温度 5 5 1 2 5 范围内，对共晶6 0 s n 4 0 p b 钎料的单轴拉伸和稳态蠕变行为进行了 模拟。但是，模拟结果与实验数据尚有偏差，原因是b o d n e r p a r t o m 方程的 某些材料参数与应变速率和温度有关，其经验表达式复杂，基于微观物理意 义的精确描述还有待进一步研究。 王莉【2 ”采用了a l a nd f r e e d l 2 8 1 在1 9 9 3 提出的具有蠕变和塑性边界的粘 塑性本构方程对s n p b 共晶合金在较宽的外部变量范围( 应变率为1 0 一1 0 2 s 、温度为一5 5 1 2 5 ) 内的基本力学行为进行了模拟和预测。结果表明，模 拟结果与单轴拉伸试验和应变控制的循环试验和蠕变试验结果吻合较好，表 明了该方程可以用于描述s n p b 共晶合会的热疲劳行为。但是由于该模型采 用了著名的p r a g e r 塑性流动法则，涉及到了屈服面和屈服应力，当应力超过 屈服应力时，该模型的理论值与实验值间存在一定的偏差。要修正此偏差， 本构方程参数之一的硬化模量将是复杂的函数关系，需要引入多个额外的材 料参数，导致方程进一步复杂化，不利于方程实际应用。 k a s h y a pe ta l 2 引从晶粒尺寸角度研究了锡铅钎料在高温下的稳态变形行 为，不仅通过试验确定了稳态蠕变方程的各参数，而且讨论了不同的晶粒尺 寸和温度对应力应变行为的影响。 g r a v i se ta l l 3 0 m e ie ta le 3 l 和f r e a re ta l ( 3 舶详细研究了s n p b 钎料的微观 结构对于其机械热性能的影响，发现在热循环下，晶粒粗大会软化s n p b 钎 料，降低材料的抗蠕变能力。而且，在钎料的服役过程中，晶粒边界滑移和 晶粒位错是两种典型的蠕变变形机制。前者和晶粒尺寸有紧密的联系，后者 对此并不敏感。在热循环作用下，s n p b 钎料的晶相就会变得粗大。 由于晶粒粗大是焊料焊点失效的主要原因之一，y ie ta l 3 3 1 提出了一个考 虑了晶相和晶粒尺寸的本构模型。此模型综合了晶粒边界的滑移和晶粒位错 变形机制来描述s n p b 钎料的热循环下的机械行为。他们利用此模型描述了 第一章文献综述 一1 0 - 1 0 0 。c 温度范围内6 3 s n 一3 7 p b 钎料的拉伸和蠕变行为，模拟值和实验结果 吻合得很好。 由于锡铅钎料熔点较低，在相对较高的使用温度下，锡铅钎料的蠕变变 形明显，因此可以采用具有单一内变量的粘塑性a n a n d 模型描述锡铅钎料的 本构行为，即把与时间无关的塑性变形与时间相关的蠕变变形结合在一起处 理。 w i l d ee t a l 【 副以钎料9 2 ，5 p b 一5 s n 2 5 a g 为对象在6 5 2 5 0 。c 的温度范围内 进行了一系列恒温下的恒应变率试验和恒应力蠕变试验，提出了一套确定 a n a n d 模型常数的方法，并根据试验结果确定了材料常数用来预测试验，取 得了较好的模拟效果。而且，讨论了a n a n d 模型在有限元应用中模拟钎料焊 点的热疲劳行为的优越性。 王国忠等【3 6 采用统一型粘塑性本构理论的a n a n d 方程描述s n p b 钎料的 非弹性变形行为，基于s n p b 钎料的弹塑性蠕变本构方程和实验数据，确定 了6 2 s n - 3 6 p b 2 a g 、6 0 s n 一4 0 p b 、9 6 5 s n 3 5 a g 和9 7 5 p b 2 5 s n 四种钎料合金的 a n a n d 方程的材料参数，并用a n a n d 方程描述s n p b 钎料在恒应变速率和稳 态塑性流动时应力应变响应，得到了很好的模拟效果。 p a n ge ta l 【3 在一4 0 1 2 5 的温度范围内对6 3 s n 一3 7 p b 进行了不同应变率 下的简单拉伸试验来研究其机械性能，发现试验温度和应变率对该钎料的弹 性模量、屈服应力和极限拉伸强度都有很大的影响，根据试验结果给出了弹 性模量、屈服应力与温度和应变率关系的经验关系方程。 1 5 我国微电子封装技术的现状 长期以来，由于对微电子封装认识的落后，我国微电子封装业处于芯片 生产的附属位置，没有将它放到独立发展的应有地位。我国的微电子封装仍 是以塑料双列直插式引脚封装和晶体管与发光管封装为主，虽有为数不多的 塑料四边引脚扁平封装和小外形封装，但是对i c 芯片的封装仍以引进生产的 s o p 和p q f p 占主要地位。 近年来，随着美国英特尔、超微半导体( a m d ) 、1 ：3 本日立、富士通、韩 国三星等众多世界知名公司纷纷来华投资建立封装生产基地，我国的封装业 得以迅速的发展，已经形成了以上海为主的长江三角洲、深圳为主的珠江三 角洲地区、北京为主的京津塘地区为中心的产业布局，主要封装企业约3 0 家，p g a 、b g a 、t s o p ( 薄型小外形封装) 、m c m 等新型封装形式己开始 形成生产能力。 第一章文献综述 1 6 本文的研究工作和研究意义 1 6 1 本文的研究工作 本文将对五种锡铅钎料6 3 s n 3 7 p b 、6 0 s n 4 0 p b 、4 0 s n 6 0 p b 、1 0 s n 一9 0 p b 、 5 s n 一9 5 p b 在3 1 3 n 3 9 8 k 温度范围及0 0 0 1 s 1 0 s 的应变率范围内不同恒 应变率的静载拉伸试验的数据进行了分析，着重研究了这五种锡铅钎料的力 学性能，分析其拉伸强度、弹性模量和屈服应力与温度、应变率和锡含量的 相关性，并采用a n a n d 统一粘塑性本构模型对试验结果进行了描述，分析该 模型的适用性。同时，也将采用内蕴时间本构模型预测试验结果，来探究该 模型在电子封装领域的适用情况。 1 。6 2 本文的研究意义 s n p b 基钎料因其具有较低的熔点、良好的导电性和润湿性和较好的抗 疲劳性能广泛应用于电子封装领域。但是电子封装及其组件在工艺或者服役 过程中，由于功率耗散和环境温度的周期变化，会因为电子印制电路板、芯 片和焊点的热膨胀失配，特别是s n p b 焊点处，产生交变的应力应变，从而 导致电子封装的电、热或者机械失效。目前，对电子封装的优化设计和可靠 隹磊辘点l 主要依靠理论模拟结合竺钡? 疲劳寿命的方法。为了准确模拟电子封 装茬士艺和服役过程中的应力应变过程，对可靠性进行评估，必须建立合理 有效的描述电子封装材料力学响应的本构方程。 国外对于s n p b 基钎料的研究分析已经非常系统。国内，一些高校如华 南理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学等对钎料已经开始一些研究，但研 究大多主要集中在6 0 s n 一4 0 p b ，6 3 s n 3 7 p b 。 本文针对这种情况，选择了有代表性的不同锡含量的锡铅钎料，通过进 行拉伸试验来分析力学性能的差异，采用统一型a n a n d 粘塑性本构模型对试 验结果进行预测，考察该模型在描述钎料本构关系方面的适用性。 内时理论因其不涉及屈服面的概念、不必区分加载和卸载情况，被广泛 的用来描述不同的材料的力学行为。但是，关于该理论在电子封装领域应用 的文献却未见发表。它能否对钎料的本构行为进行合理的预测，在这一领域 是否有较强的适用性便是需要探讨的一个问题。 第二章锡铅钎料拉伸试验及结果分析 第二章锡铅钎料拉伸试验及结果分析 2 1 材料与试件 锡铅基钎料是目前国内微电子封装中使用最为广泛的一种芯片互连材 料。作为电子元件的电的和机械的连接，在封装及服役条件下，出于功率耗 散和环境温度的变化，s n p b 焊点内会因材料的热膨胀失配而产生交变的热 和机械的应力和应变，导致焊点的热疲劳失效。焊点的失效已经成为引起电 子封装器件的电、热或者机械失效的主要因素。 目前，对电子封装的优化设计和可靠性分析，主要依靠理论模拟结合实 测疲劳寿命的方法。为了准确模拟电子封装茬i 艺和服役过程中的应力应变 过程，对可靠性迸行评估，需要建立合理有效反映钎料力学行为的本构方程。 锡铅钎料是锡和铅两种金属组成的合金。从锡铅相图 3 8 , 3 9 可以看出，锡 铅合金是形成两种有限固溶体口和口的共晶合金，a 为s n 在p b 中形成的固 溶体，口为p b 在s n 中形成的固溶体。当s n 为6 1 9 时，锡铅形成共品， 熔点温度1 8 3 ，c e d 为共晶线，成分在共晶线上的合会均为共晶合金，在 c e 段为亚共晶合金，耐段为超共晶合金。 髫 图2 - 1 锡铅合金相图 f i g 2 - 1p h a s ed i a g r a mo f t i n l e a da l l o y 根据相图可知，6 3 s n - 3 7 p b 为超共晶合金，6 0 s 一4 0 p b 、4 0 s - 6 0 p b 均为亚 第二章锡铅钎料拉伸试验及结果分析 共晶合金，在通常感兴趣的温度范围内，合金组织分别为口固溶体和( 口+ 卢) 共晶体，口固溶体和( 口+ ) 共晶体：1 0 s n 9 0 p b 、5 s n 一9 5 p b 的合金 组织主要是6 t 固溶体和少量的口。 本章将以6 3 s n 3 7 p b 、6 0 s n 一4 0 p b 、4 0 s n 一6 0 p b 、1 0 s n 一9 0 p b 、5 s n 一9 5 p b 五 种钎料为研究对象，对3 1 3 k 3 8 3 k 的温度范围内进行0 0 0 1 i s 1 0 s 的恒 应变率下的静载拉仲试验结果进行分析，研究不同锡含量对钎料的机械性能 的影响，讨论弹性模量、屈服应力等力学性能与温度、应变率和锡含量的相 关性，为确定合理适用的本构方程提供基础。 2 1 1 材料 本章试验在日本立命馆大学完成。 试验中所用的材料为五种锡铅钎料6 3 s n 一3 7 p b 、6 0 s n 4 0 p b 、4 0 s n 一6 0 p b 、 1 0 s n 9 0 p b 、5 s n 9 5 p b ，试验材料的化学成分如表2 1 所示。 表2 - 1 试验材料的化学成分( w t ，) t a b 2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ft e s tm a t e r i a l s 材料化学成分