微電子封裝中無(wú)鉛焊點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究與可靠性分析.pdf

1、隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的不斷出現(xiàn)，焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題也日益復(fù)雜。分析焊點(diǎn)可靠性最為精確的方法是選取大量的實(shí)際電子元件，使其處于實(shí)際的工作環(huán)境直至焊點(diǎn)失效，但該方法必然消耗大量的時(shí)間，而且成本極為昂貴。目前，最為常用的分析焊點(diǎn)可靠性的方法是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上借助有限元分析的計(jì)算模擬，這就需要對(duì)焊點(diǎn)材料的力學(xué)性能有準(zhǔn)確的理解。在實(shí)際處理時(shí)，多數(shù)方法是對(duì)塊體材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，假設(shè)焊點(diǎn)模型采用彈性、雙線(xiàn)性或三線(xiàn)性彈塑性關(guān)系，而忽略了焊點(diǎn)在跌落/沖擊等載

2、荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)。隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，實(shí)際焊點(diǎn)的尺寸已達(dá)到微米甚至納米量級(jí)，如要了解真實(shí)焊點(diǎn)的力學(xué)性能，就需要對(duì)實(shí)際焊點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。
　　 本文對(duì)平面陣列封裝中微小焊點(diǎn)在實(shí)際工況下所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能以及受跌落沖擊等載荷作用下焊點(diǎn)的可靠性方面展開(kāi)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(duì)微電子封裝中經(jīng)過(guò)回流焊工藝和未經(jīng)回流焊工藝的無(wú)鉛焊料小球Sn3.0Ag0.5Cu和錫鉛

3、焊料小球Sn37Pb進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)得的材料的載荷－位移曲線(xiàn)、位移－彈性模量曲線(xiàn)和位移－硬度曲線(xiàn)等。利用反分析測(cè)試原理和數(shù)值模擬方法，建立了焊點(diǎn)壓痕實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的關(guān)系曲線(xiàn)與其彈塑性材料參數(shù)之間的聯(lián)系，提出了特征應(yīng)力和特征應(yīng)變的簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，給出了無(wú)鉛焊點(diǎn)和錫鉛焊點(diǎn)特征應(yīng)力的值，確定了此類(lèi)材料的特征應(yīng)變?yōu)棣舝=0.0252。進(jìn)一步建立了微電子封裝中真實(shí)無(wú)鉛焊點(diǎn)的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。
　　 2、利用冪律強(qiáng)化蠕變本構(gòu)方程描述微電

4、子封裝中微小無(wú)鉛焊點(diǎn)和錫鉛焊點(diǎn)的蠕變力學(xué)性能。依據(jù)納米壓痕蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，采用無(wú)量綱分析法推導(dǎo)出了蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)的計(jì)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(diǎn)冪律強(qiáng)化蠕變本構(gòu)方程。室溫下蠕變壓痕試驗(yàn)所得的壓痕蠕變時(shí)間和蠕變位移量之間的關(guān)系曲線(xiàn)與數(shù)值模擬計(jì)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(diǎn)的蠕變力學(xué)性能。
　　 3、利用分離式霍布金森壓桿技術(shù)對(duì)無(wú)鉛焊

5、料Sn3.0Ag0.5Cu，Sn3.5Ag和錫鉛焊料63Sn37Pb在-40℃～125℃和應(yīng)變率1000s-1～4000s-1范圍內(nèi)進(jìn)行一系列動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，三種材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于靜態(tài)屈服強(qiáng)度，隨著應(yīng)變率的提高，無(wú)論是錫鉛焊料還是無(wú)鉛焊料，其屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力均明顯的提高，表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)；三種焊料合金的溫度效應(yīng)也是明顯的，環(huán)境溫度高于室溫時(shí)，材料軟化，強(qiáng)度減弱，反之則材料變硬，強(qiáng)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(shí)用的考慮溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)的焊料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系，為進(jìn)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(jí)跌落測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(JEDEC Standard JESD22-B111)，建立板級(jí)VFBGA封裝跌落/沖擊問(wèn)題的三維有限元模型，其中，焊點(diǎn)的材料模型采用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的考慮應(yīng)變率效應(yīng)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(xiàn)作為數(shù)值模型的載荷輸入，對(duì)VFBGA封裝在板級(jí)跌落條件下可靠性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論，在跌落沖擊條件下，機(jī)械沖擊引起的PCB板彎曲或振動(dòng)是導(dǎo)致焊點(diǎn)跌落失效的根本原因；焊點(diǎn)材料的應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)在數(shù)值模擬中不可忽略；BGA封裝外圍角點(diǎn)處焊點(diǎn)剝離應(yīng)力最大，位于焊點(diǎn)靠近封裝一側(cè)，表明靠近封裝一側(cè)焊點(diǎn)部位容易開(kāi)裂失效；以最大的剝離應(yīng)力(peeling stress)作為跌落碰撞下焊點(diǎn)的失效準(zhǔn)則，用Power原理建立的壽命預(yù)測(cè)模型，計(jì)算得