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1、影响表面组装技术中焊接点热疲劳性能Ξ的因素及其研究方法张德明(南京电子技术研究所210013)【摘要】本文研讨了影响SMT焊接点热疲劳性能的因素及研究方法。关键词微组装热疲劳焊接点FactorsofInfluencingThermalFatigueofSolderJointinSMTanditsResearchMethod【Abstract】ThispaperdiscussesthefactorsofinfluencingthermalfatigueofsolderjointinSMTanditsresearchmethod.KeyWo
2、rdsSMTThermalfatigueSolderjoint1引言2系统的热性能对热疲劳的影响由于当代电子组件向微型化、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,而且正在逐步广泛应用于航天、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、日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,各种元器件的膨胀量不同,相互之间发生制约
3、,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。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源部分,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。这两个方面相互作用的
4、结果决定了系统的整体温度和温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、图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于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Ξ收稿日期1999-09-2020电子机械工程2000年图1温度
5、与抗拉强度关系压缩冷空气强迫冷却,用流动液体冷却以及利用导热性良好的H2隙增大散热能力,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。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疲劳性能。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Sn-Pb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低周热疲劳性能;(3)用铟焊料焊接镀金元件和银钯厚膜电路,不会象Sn焊料那样产生
6、脆性金属间化合物而导致失效。由于铟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Sn-Sb-Ag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
7、,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20%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.LauandGirvinHarkins利用有限元法,分析了接点中气孔半径R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,
8、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
