微電子封裝中無鉛焊點的實驗研究與可靠性分析.pdf

1、隨著先進封裝技術(shù)的不斷出現(xiàn)，焊點的可靠性問題也日益復雜。分析焊點可靠性最為精確的方法是選取大量的實際電子元件，使其處于實際的工作環(huán)境直至焊點失效，但該方法必然消耗大量的時間，而且成本極為昂貴。目前，最為常用的分析焊點可靠性的方法是在實驗的基礎(chǔ)上借助有限元分析的計算模擬，這就需要對焊點材料的力學性能有準確的理解。在實際處理時，多數(shù)方法是對塊體材料進行力學性能測試，假設焊點模型采用彈性、雙線性或三線性彈塑性關(guān)系，而忽略了焊點在跌落/沖擊等載

2、荷作用下表現(xiàn)出來的應變率效應和溫度效應。隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，實際焊點的尺寸已達到微米甚至納米量級，如要了解真實焊點的力學性能，就需要對實際焊點進行測試。
　　 本文對平面陣列封裝中微小焊點在實際工況下所表現(xiàn)出來的力學性能以及受跌落沖擊等載荷作用下焊點的可靠性方面展開了較為系統(tǒng)地研究。主要的工作與結(jié)果如下：
　　 1、采用納米壓痕法對微電子封裝中經(jīng)過回流焊工藝和未經(jīng)回流焊工藝的無鉛焊料小球Sn3.0Ag0.5Cu和錫鉛

3、焊料小球Sn37Pb進行了比對測試，記錄實驗測得的材料的載荷－位移曲線、位移－彈性模量曲線和位移－硬度曲線等。利用反分析測試原理和數(shù)值模擬方法，建立了焊點壓痕實驗中測得的關(guān)系曲線與其彈塑性材料參數(shù)之間的聯(lián)系，提出了特征應力和特征應變的簡便的計算方法，給出了無鉛焊點和錫鉛焊點特征應力的值，確定了此類材料的特征應變?yōu)棣舝=0.0252。進一步建立了微電子封裝中真實無鉛焊點的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。
　　 2、利用冪律強化蠕變本構(gòu)方程描述微電

4、子封裝中微小無鉛焊點和錫鉛焊點的蠕變力學性能。依據(jù)納米壓痕蠕變實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，采用無量綱分析法推導出了蠕變應變速率敏感指數(shù)的計算方法。結(jié)合數(shù)值模擬和量綱分析，利用搜索法求出蠕變本構(gòu)方程中的常系數(shù)C的值，從而確定了微焊點冪律強化蠕變本構(gòu)方程。室溫下蠕變壓痕試驗所得的壓痕蠕變時間和蠕變位移量之間的關(guān)系曲線與數(shù)值模擬計算所得的結(jié)果吻合較好，表明穩(wěn)態(tài)蠕變材料模型能夠充分描述焊點的蠕變力學性能。
　　 3、利用分離式霍布金森壓桿技術(shù)對無鉛焊

5、料Sn3.0Ag0.5Cu，Sn3.5Ag和錫鉛焊料63Sn37Pb在-40℃～125℃和應變率1000s-1～4000s-1范圍內(nèi)進行一系列動態(tài)壓縮實驗。研究結(jié)果表明，三種材料的動態(tài)屈服強度均遠大于靜態(tài)屈服強度，隨著應變率的提高，無論是錫鉛焊料還是無鉛焊料，其屈服強度和流動應力均明顯的提高，表現(xiàn)出應變率效應；三種焊料合金的溫度效應也是明顯的，環(huán)境溫度高于室溫時，材料軟化，強度減弱，反之則材料變硬，強度增大。擬合Johnson-Cook

6、模型中的材料常數(shù)，從而給出了工程實用的考慮溫度效應和應變率效應的焊料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系，為進一步研究電子產(chǎn)品的可靠性提供了研究基礎(chǔ)。
　　 4、按照便攜式電子產(chǎn)品板級跌落測試標準(JEDEC Standard JESD22-B111)，建立板級VFBGA封裝跌落/沖擊問題的三維有限元模型，其中，焊點的材料模型采用由實驗數(shù)據(jù)擬合得到的考慮應變率效應和溫度影響的Cowper-Symonds材料模型表示，采用Input-G方法將沖擊加速度曲

7、線作為數(shù)值模型的載荷輸入，對VFBGA封裝在板級跌落條件下可靠性進行了分析，得到以下結(jié)論，在跌落沖擊條件下，機械沖擊引起的PCB板彎曲或振動是導致焊點跌落失效的根本原因；焊點材料的應變率效應和溫度效應在數(shù)值模擬中不可忽略；BGA封裝外圍角點處焊點剝離應力最大，位于焊點靠近封裝一側(cè)，表明靠近封裝一側(cè)焊點部位容易開裂失效；以最大的剝離應力(peeling stress)作為跌落碰撞下焊點的失效準則，用Power原理建立的壽命預測模型，計算得