表面贴装结构焊点的热疲劳性能及机械疲劳性能研究

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1、摘要在电子产品的表面贴装结构中，一个焊点的破坏往往会造成整个器件的失效。因此，如何提高和控制焊点的使用寿命一直是电子产品表面贴装技术中的关键问题之一。焊点的热疲劳破坏和机械疲劳破坏是电子电路中的焊点发生失效的主要形式，其中焊点热疲劳破坏所占的比例最大。另外，电子产品的无铅化也给焊点的疲劳寿命研究带来了新的挑战。由此，本论文针对表面贴装结构焊点的热疲劳性能和机械疲劳性能展开研究，研究焊点的热疲劳裂纹萌生及扩展规律，预测和评价焊点热疲劳寿命的方法，并对焊点结构的机械疲劳性能展开初步研究。本文首先对表面贴装结构焊点的回流焊过程展开研究，并在此基础上研究了焊点结构的热疲劳性能，

2、其中主要研究了焊点结构在热疲劳过程中电阻值及热疲劳裂纹的变化。研究结果表明，焊点在热疲劳过程中存在着三个典型的热疲劳裂纹萌生位置，其中，热疲劳裂纹主要在位置1处萌生，这与该处附近区域所产生的等效非弹性应变的数值相对应。并且存在着两种热疲劳裂纹扩展方式及失效模式。焊点结构的电阻值在热疲劳过程中随着裂纹的萌生及扩展持续增大。另外，对影响焊点热疲劳性能的因素研究表明：大焊盘焊点的热疲劳寿命要长于小焊盘焊点；回流焊温度较高时，焊点的热疲劳寿命较短；无铅钎料焊点具有与锡铅钎料焊点不同的热疲劳性能特点。论文工作中还采用有限元方法分析了焊点结构在热疲劳过程中的非弹性应变分布，进而采用

3、Coffin—Manson方法预测了焊点结构的热疲劳寿命。研究结果表明：该方法获得的热疲劳寿命值与试验结果基本一致。另外，采用有限元方法预测焊点结构热疲劳寿命的方法进行研究，还获得了焊点形状对其热疲劳寿命的影响结果。此外，本论文还采用SEM实时观测及电阻值测量的方法对焊点结构的机械疲劳性能展开了初步研究。研究结果表明，焊点在机械疲劳载荷的作用下，裂纹首先在钎料与贴片电阻的接触界面处，贴片电阻的下角部产生，然后逐渐向钎料内部扩展，裂纹长度逐渐增大。在此过程中，焊点结摘要构的电阻值持续增大。随着疲劳载荷的减小，焊点结构的疲劳寿命逐渐增大；另外，焊盘的伸出长度较大时，有利于提

4、高焊点的疲劳寿命；锡铅共晶钎料焊点的抗疲劳性能要优于无铅钎料SAC305焊点。关键词：表面贴装技术焊点结构热疲劳裂纹有限元方法ⅡAbstractASMTdeviceusedmelectricalcircuitOftencannotworkaSsoonasoneofItSsolderjointsfails．Therefore，themethodtoincrease(orcontr01)theservicelifetimeofthesolderjointsusedinelectricalcircuitisalwaysakeyresearchpointinpractice．A

5、ndtheforbiddanceofPbinelectricalcircuitalsobringsnewchallengeforthestudyofthesolderjoint’Slifetime．Ithasbeenreportedthatthermalfatigueandmechanicalfatigueareboththemaincausestojointfailureoccurringinelectricalcircuit，inwhichthermalfatigueisoftenthemostimportantpart．Thereforethethermalfat

6、iguebehaviorsofsolderjointarestudiedindetailinthispaper，includingthecrackinitiationandpropagationinsolderjointduringthermalfatigue，themethodtopredictandevaluatethethermalfatiguelifetimeofsolderjoint．Atthesametimesomemechanicalfatiguebehaviorsofsolderjointarealsostudied．Firstlythereflowtr

7、eatmentofsolderjointisinvestigated．Thenthethermalfatiguepropertiesofsolderjointsarestudiedindetail，includingtheresistancevaluevariationmeasurementandcrackobservationduringthermalfatiguetest．Itisfoundthatthereexistthreetypicallocationsforcrackinitiationduringthermalfatigue