一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法专利检索-显色指数单位和数量专利检索查询-专利查询网

一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法

阅读：544发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，该评价方法包括设计与制作无铅焊料低温试验样件；实施无铅焊料低温力学性能试验；分析无铅焊料低温力学特性；实施无铅焊料低温条件下可靠性评估。该方法考虑了无铅电子元器件在低温使用条件下可能发生的韧脆转变导致材料特性变化的问题，给出了在低温条件下进行无铅焊料力学特性试验的步骤以及评价其可靠性的方法。与传统的无铅焊料可靠性评价方法相比，该方法扩充了对焊料可靠性分析的适用温度范围，可以对更低温度下的无铅元器件互联结构的可靠性进行评价。，下面是一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设计与制作无铅焊料低温试验样件：针对互连焊点低温力学性能参数设计拉伸样件，拉伸样件由两个低温拉伸焊点试样焊接得到；
步骤2，实施无铅焊料低温力学性能试验：在不同温度条件下，进行拉伸试验，记录表征材料力学性能参数；
步骤3，分析无铅焊料低温力学特性：根据步骤2中得到的力学性能参数数据，得到不同温度下拉伸应力-位移曲线、最大抗拉强度、最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量、以及韧脆转变温度范围；
步骤4，实施无铅焊料低温条件下可靠性评估：根据无铅焊料在不同温度下的最大抗拉强度和最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量的数据，分别拟合最大抗拉强度与温度的关系表达式、以及最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式；
通过外界拉力与抗拉强度的关系，得到外界拉力与温度的关系表达式；
根据最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式、以及外界拉力与温度的关系表达式，可以得到焊点在低温环境下所能承受的最大外界拉力与在最大外界拉力处能够承受的位移量，实现对焊点低温可靠性评估。
2.根据权利要求1所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，步骤
1中，设计两片半骨棒状铜片作为低温拉伸焊点试样，通过焊锡膏焊接成骨棒状拉伸样件；
铜片可以选自紫铜T1、紫铜T2、紫铜T3、紫铜T4中任意一种含铜材料。
3.根据权利要求2所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，步骤
1中，焊接方式为回流焊，在高温回流炉焊接设备中进行焊接。
4.根据权利要求1所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，步骤
2中低温力学性能试验包括以下子步骤：
子步骤1)，针对不同的无铅焊料，根据其材料特性选择合适的温度等级；
子步骤2)，在每种温度条件下使用万能试验机进行拉伸强度试验，拉伸直至试样变形断裂，获取互连焊点材料低温下力学性能参数。
5.根据权利要求4所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，在子步骤1)中，针对航天环境下的无铅元器件，温度等级的确定标准为：
(i)确定低温温度的选择范围在-50℃～-100℃之间，
(ii)选择室温、温度范围两端的温度、以及温度范围中间值附近的两个温度值作为温度等级。
6.根据权利要求5所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，针对航天环境下的无铅元器件，选择温度等级为室温25℃、-50℃、-70℃、-80℃和-100℃。
7.根据权利要求4所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，应变速率的选择标准为0.0001/s；
力学性能参数包括拉伸位移、以及不同拉伸位移处的抗拉强度。
8.根据权利要求1所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，步骤
3中还包括通过分析拉伸断口的微观组织，分析材料的韧性/脆性情况的步骤。
9.根据权利要求8所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，通过拉伸端口处微观组织判断焊点的韧性/脆性断裂情况的标准为：
典型韧性断裂：断口上存在大量韧窝；
韧性断裂至脆性断裂过渡：存在两种断裂形貌，没有明显的分界线，表现为韧窝到韧窝加准解理面，再到纯解理的断面过渡方式；
典型脆性断裂：断口呈纤维状，无金属光泽，颜色发暗，有解理花样和沿晶断口形态。
10.根据权利要求1所述的无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，其特征在于，对最大抗拉强度与温度的关系表达式、以及最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式进行拟合时，
采取线性多项式拟合和指数拟合两种形式，进行数据的拟合分析，并计算相应的拟合相关性R2，比较两种拟合的相关性R2，输出相关性R2较大的拟合方式以及相应的函数形式。

说明书全文

一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于无铅电子元器件可靠性评价技术领域，涉及一种一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法。

背景技术

[0002] 长期以来，元器件(如表贴器件、插装器件等)的装联和引出端的镀覆所用焊料均为铅锡焊料(63Sn-37Pb)。然而，铅是有毒重金属，对人体有危害，会造成环境污染。因此各国电子产品无铅化法规相继发布，无铅元器件开始逐步取代有铅元器件。但是与锡铅材料相比，无铅元器件采用的锡以及锡合金焊料，在低温下材料性能会发生改变，对互连焊点的可靠性造成影响。性能变化主要原因在于：材料发生了低温锡相变或由韧性转变为脆性。在13.2℃以下，β-Sn会缓慢地转变为更为稳定的α-Sn。α-Sn的晶格结构和Si一样，因此它是一种半导体而不是金属，并具有本征脆性，同时β向α相转变过程有26％～27％的体积膨胀，也正是如此，通常β向α相转变后会产生裂纹，从而使焊料合金的力学性能恶化。因此，在深空探测温度环境逐渐降低的背景下，有必要研究无铅焊料在低温环境下的脆断特性，分析无铅焊料在低温下的可靠性问题。

[0003] 虽然现在针对焊料的力学性能研究已有一定基础，然而大部分研究是在常温或者高温下进行，很少有针对较低温度条件下的焊点性能的研究，没有明确提出针对无铅互连焊点的低温可靠性评价方法。据此，本发明提出了一种无铅互连焊点低温可靠性评价方法，实现了对无铅焊点在低温环境下可靠性的评价。

发明内容

[0004] 考虑到无铅焊料在低温条件下可能发生的韧脆转变问题，本发明人进行了锐意研究，利用配有降温装置的万能试验机使用液氮对无铅试验样品进行冷却，在特定的温度下进行力学性能试验，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察断裂处表面形貌，进而确定焊点的断裂方式，得到焊点发生脆韧断裂的温度区间。同时，记录表征材料力学性能参数，包括材料的抗拉强度以及最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量。基于试验结果，拟合材料力学性能参数与温度的关系曲线，继而评价焊点在低温条件下的可靠性。该方法考虑了无铅电子元器件在低温使用条件下可能发生的韧脆转变导致材料特性变化的问题，给出了在低温条件下进行无铅焊料力学特性试验的步骤以及评价其可靠性的方法。与传统的无铅焊料可靠性评价方法相比，该方法扩充了对焊料可靠性分析的适用温度范围，可以对更低温度下的无铅元器件互联结构的可靠性进行评价，从而完成本发明。

[0005] 本发明的目的在于提供以下技术方案：

[0006] 本发明提供了一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，该评价方法包括以下步骤：

[0007] 步骤1，设计与制作无铅焊料低温试验样件：针对互连焊点低温力学性能参数设计拉伸样件，拉伸样件由两个低温拉伸焊点试样焊接得到；

[0008] 步骤2，实施无铅焊料低温力学性能试验：在不同温度条件下，进行拉伸试验，记录表征材料力学性能参数；

[0009] 步骤3，分析无铅焊料低温力学特性：根据步骤2中得到的力学性能参数数据，得到不同温度下拉伸应力-位移曲线、最大抗拉强度、最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量、以及韧脆转变温度范围；

[0010] 步骤4，实施无铅焊料低温条件下可靠性评估：根据无铅焊料在不同温度下的最大抗拉强度和最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量的数据，分别拟合最大抗拉强度与温度的关系表达式、以及最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式；

[0011] 通过外界拉力与抗拉强度的关系，得到外界拉力与温度的关系表达式；

[0012] 根据最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式、以及外界拉力与温度的关系表达式，可以得到焊点在低温环境下所能承受的最大外界拉力与在最大外界拉力处能够承受的位移量，实现对焊点低温可靠性评估。

[0013] 本发明提供的一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，带来了有益的技术效果：

[0014] (1)本发明中，针对航天环境下的无铅元器件进行特定拉伸试验设计，如焊接方法的确定、拉伸试验中温度等级的确定等，该针对性设计与应用环境相接近，利于后续评估的准确性；

[0015] (2)本发明中，采用力学分析结果(如拉伸应力-位移曲线、最大抗拉强度、最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量、以及韧脆转变温度范围)与扫描电子显微镜(SEM)观察断裂处表面形貌两相结合的方式，对韧性/脆性断裂情况进行分析，结果更为准确可靠；

[0016] (3)本发明中，创造性提出断裂处表面形貌韧性/脆性断裂判断标准，依据该标准，本领域技术人员能够有效、统一、简便、快速的对焊点韧性/脆性断裂进行判断；

[0017] (4)本发明中，考虑了无铅电子元器件在低温使用条件下可能发生的韧脆转变失效风险，通过低温拉伸试验，获取相关无铅焊料在低温下的材料特性参数，给出了在低温条件下进行无铅焊料力学特性试验的步骤以及特性参数分析方法，最后通过计算拉力阈值，评价无铅互连焊点低温条件下的可靠性。与传统的无铅焊料可靠性评价方法相比，该方法扩充了对焊料可靠性分析的适用温度范围，可以对更低温度下的无铅元器件互联结构的可靠性进行评价；

[0018] (5)航天环境与航空环境相比更加恶劣，本发明中评估方法在适用于宇航用无铅元器件的同时，完全可以推广至其他机载、弹载武器系统，具有巨大的应用前景。附图说明

[0019] 图1示出本发明一种优选实施方式中无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法流程示意图；

[0020] 图2示出本发明中无铅焊料拉伸试验中拉伸样件的结构示意图；

[0021] 图3示出本发明中采用无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu时的回流焊温度曲线；

[0022] 图4示出本发明中拉伸过程示意图；

[0023] 图5示出本发明实施例1中无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu断裂韧性随温度变化情况；

[0024] 图6示出本发明实施例1中焊点不同温度下抗拉强度-位移曲线；

[0025] 图7示出本发明实施例1中焊点各温度下拉伸断口SEM图片；

[0026] 图8示出本发明实施例1中焊点最大抗拉强度与温度曲线；

[0027] 图9示出本发明实施例1中焊点最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度拟合曲线。

具体实施方式

[0028] 下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

[0029] 在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其他实施例。

[0030] 如图1所示，本发明提供了一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法，该评价方法包括以下步骤：

[0031] 步骤1，设计与制作无铅焊料低温试验样件：针对互连焊点低温力学性能参数设计拉伸样件，拉伸样件由两个低温拉伸焊点试样焊接得到；

[0032] 步骤2，实施无铅焊料低温力学性能试验：在不同温度条件下，进行拉伸试验，记录表征材料力学性能参数；

[0033] 步骤3，分析无铅焊料低温力学特性：根据步骤2中得到的力学性能参数数据，得到不同温度下拉伸应力-位移曲线、最大抗拉强度、最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量、以及韧脆转变温度范围；

[0034] 步骤4，实施无铅焊料低温条件下可靠性评估：根据无铅焊料在不同温度下的最大抗拉强度和最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量的数据，分别拟合最大抗拉强度与温度的关系表达式、以及最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式；

[0035] 通过外界拉力与抗拉强度的关系，得到外界拉力与温度的关系表达式；

[0036] 根据最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式、以及外界拉力与温度的关系表达式，可以得到焊点在低温环境下所能承受的最大外界拉力与在最大外界拉力处能够承受的位移量，实现对焊点低温可靠性评估。

[0037] 具体地，在步骤1中，设计与制作无铅焊料低温试验样件：针对互连焊点低温力学性能参数设计拉伸样件，拉伸样件由两个低温拉伸焊点试样焊接得到。

[0038] 为了获取无铅元器件互连焊点低温性能关键参数，开展低温试验样件设计制作。首先针对互连焊点低温力学性能参数(例如抗拉强度、拉伸位移等)设计拉伸样件，采用铜片为母材制作低温拉伸焊点试样，如图2所示，设计两片半骨棒状铜片作为低温拉伸焊点试样，通过焊锡膏焊接成骨棒状拉伸样件。

[0039] 根据在试验样件设计阶段，选择铜作为焊接的母材。根据已有相关文献，铜片可以选自紫铜T1、紫铜T2、紫铜T3、紫铜T4等的含铜材料。

[0040] 具体地，拉伸样件的制作方法如下：

[0041] 在铜板上使用线切割技术切割出需要的低温拉伸焊点试样，优选进行清洗、打磨、涂覆阻焊剂等处理，然后将其放入到夹具上固定，控制两低温拉伸焊点试样的中心距离，将焊锡膏涂在中心位置组成待焊接的状态，最后将待焊接的低温拉伸焊点试样进行焊接，得到拉伸试样。

[0042] 优选地，焊接方式为回流焊，在高温回流炉焊接设备中进行焊接。采用该焊接的原因在于：常见无铅元器件为表面贴装器件，相应的焊接方式即为回流焊接。

[0043] 在焊接过程中，针对焊料自身的熔点设置回流焊温度曲线，如图3示出使用无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu时的回流焊温度曲线。

[0044] 在步骤2中，实施无铅焊料低温力学性能试验：在不同温度条件下，进行拉伸试验，记录表征材料力学性能参数。

[0045] 本发明中，使用万能试验机进行无铅焊料的力学性能试验，使用的低温拉伸设备除了普通万能试验机应具备的功能外，还需配备降温装置，允许将试样周围的环境温度降至低温-150℃，同时需要通过温度传感器实现实时监控和控制。在需要的温度下进行力学性能试验，万能试验机得到的应力应变数据传输到电子计算机中进行处理。

[0046] 在本发明中，降温装置包括低温密封箱与液氮罐，低温密封箱与液氮罐相连，利用液氮对试验样品进行冷却，向低温密封箱中不断喷入液氮，液氮雾化程度的不同产生不同的温度，再用降温装置自带的传感器对其进行温度控制，在需要的温度下进行力学性能试验。万能试验机配置温度传感器，可精确控制实验温度，保证试验在目标温度下进行，拉伸过程示意图如图4所示。

[0047] 在本发明中，步骤2低温力学性能试验包括以下子步骤：

[0048] 子步骤1)，针对不同的无铅焊料，通过查阅的标准及相关的文献等方式，根据其材料特性(如韧脆转变温度区间等)选择合适的温度等级；

[0049] 子步骤2)，在每种温度条件下使用万能试验机进行拉伸强度试验，选择应变速率进行拉伸直至试样变形断裂，获取互连焊点材料低温下力学性能参数。

[0050] 在子步骤1)中，针对航天环境下的无铅元器件，温度等级的确定标准为：

[0051] (i)确定低温温度的选择范围在-50℃～-100℃之间，

[0052] (ii)选择室温(25℃)、温度范围两端的温度、以及温度范围中间值附近的两个温度值作为温度等级。

[0053] 优选地，针对航天环境下的无铅元器件，温度等级为室温(25℃)、-50℃、-70℃、-80℃和-100℃。

[0054] 在子步骤2)中，应变速率的选择标准为0.0001/s。

[0055] 在子步骤2)中，力学性能参数包括拉伸位移(即为万能试验机拉伸时的位移)、以及不同拉伸位移处的抗拉强度；

[0056] 在子步骤2)中，每种焊料的拉伸样件在每个温度等级下至少测试两次，取平均值以获取较准确的试验结果。

[0057] 在步骤3中，分析无铅焊料低温力学特性：根据步骤2中得到的力学性能参数数据，得到不同温度下拉伸应力-位移曲线、最大抗拉强度、最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量、以及韧脆转变温度范围。

[0058] 拉伸应力-位移曲线以抗拉强度为纵坐标，拉伸位移为横坐标，拉伸应力-位移曲线的最高点为最大抗拉强度，最大抗拉强度对应的位移至断裂时位移之差即为最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量，最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量越小，韧性断裂特征越来越弱化。

[0059] 一般韧性材料的拉伸通常会经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，而脆性材料的拉伸试验在经历弹性阶段后通常直接过渡到断裂阶段(即应力达到最大点后迅速断裂的阶段)，没有屈服阶段和强化阶段，因此通过拉伸应力-位移曲线的形状即可判断材料的韧性和脆性，拉伸应力-位移曲线在拉伸应力最大点处越来越锐利，韧性断裂特征越来越弱化。

[0060] 步骤3中，进一步包括：通过分析拉伸断口的微观组织，分析材料的韧性/脆性情况。

[0061] 使用扫描电子显微镜对拉伸试验后的试样进行观察，可以得到拉伸断口的微观组织情况，分析焊点的韧性/脆性断裂情况。

[0062] 优选地，焊点的韧性/脆性断裂情况的判断标准如下表1所示：

[0063] 表1韧性/脆性断裂判断标准

[0064]

[0065] 步骤4，实施无铅焊料低温条件下可靠性评估。

[0066] 通过试验得到的无铅焊料在不同温度下的最大抗拉强度和最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量的数据，可以通过数据软件如MATLAB进行数据分析处理。根据得到的数据点，可以基本确定拟合的形式。我们采取线性多项式拟合和指数拟合两种形式，进行数据的拟合分析，并计算相应的拟合相关性R2，R2越接近1，说明拟合效果越好。比较两种拟合的R2，输出R2较大的拟合方式以及相应的函数形式，并绘制拟合曲线。

[0067] 已知最大抗拉强度与外界拉力关系可以将最大抗拉强度与温度的关系表达式进行转换，得到外界拉力与焊点面积和温度的关系表达式：

[0068] F＝S*Rm(T)

[0069] 式中：F表示外界拉力，单位：N；S表示焊点接触面积，单位：mm2；T表示环境温度，单位：℃；Rm(T)为根据数据拟合得到的抗拉强度与温度的关系表达式。结合外界拉力与温度的关系表达式，最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度的关系表达式，最终给出在不同的温度条件下，焊点发生失效的拉力阈值和形变阈值。

[0070] 假设电子产品的环境温度为T0，焊点的接触面积为S0时，可以计算得到该温度条件下焊点材料所能承受的最大拉力为F0，该温度下焊点在最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量L0。针对无铅元器件焊点在低温环境下所受外界拉伸或冲击拉力为F，由外力引起的焊点位移量为L时，其焊点的可靠性问题进行以下讨论：

[0071] (1)当T0≥T1(T1为韧脆转变温度范围的高温端)，此时互连焊点可能会发生韧性断裂失效，①假设外界拉力F≥F0时，其中若由外力引起焊点在最大拉伸应力处之后产生的位移量L≥L0，此时焊点会发生韧性断裂，造成焊点失效；若由外力引起焊点在最大拉伸应力处之后产生的位移量L

[0072] (2)当T0≤T2(T2为韧脆转变温度范围的低温端)，此时互连焊点可能会发生脆性断裂。焊点在发生脆性断裂时，焊点所受最大应力处至最终断裂位置的位移量是极小的，所以由外力引起焊点在最大拉伸应力处之后产生的位移量L对焊点的断裂决定作用非常小，此时决定互连焊点断裂的主要因素为外界拉力条件。因此，①假设外界拉力F≥F0时，焊点发生脆性断裂失效，对电子产品造成严重的可靠性问题。②假设当外界拉力F

[0073] (3)当T1>T0>T2，此时互连焊点可能会发生韧脆混合断裂失效。①假设外界拉力F≥F0时，互连焊点发生可能发生混合断裂失效。②当外界拉力F

[0074] 实施例实施例1

[0075] 步骤1，无铅焊料低温试验样件设计与制作。

[0076] 如图2所示，采用铜片为母材去制作低温拉伸焊点试样，焊点的制备是通过焊锡膏与铜片实现结构焊接。试验中的拉伸焊点结构，控制焊缝间隙为1.0mm，所有焊点保持统一尺寸，以便后续对比分析。低温焊点拉伸试样参照拉伸试验标准进行设计，采用骨棒状拉伸结构，焊缝的设计尺寸为1.0mm，拉伸样件的整体厚度为1.0mm。通过线切割设备获得用于制备焊点拉伸样件的半骨棒状结构金属铜片。

[0077] 焊接使用的铜片母材是纯度为99.99％的紫铜T2，将整块铜板线切割加工成半骨棒状的拉伸试样形状

[0078] 将加工制作完成的铜片试样放入到夹具上，控制两片铜试样的中心距离，将焊锡膏涂在中心位置组成待焊接的状态，放入到高温回流炉焊接设备中。通过查阅资料可得Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料的熔点，针对焊料自身的熔点设置回流焊温度曲线，如图3所示。根据上述的低温试样设计制作方法，制作得到Sn3.0Ag0.5Cu的拉伸试验样件可用于满足后续低温力学性能参数获取试验。

[0079] 步骤2：无铅焊料低温力学性能试验。

[0080] 在低温力学性能参数试验中，低温拉伸设备为美国美特斯工业系统公司生产的CMT5504电子万能材料试验机。电子万能材料试验机CMT5504最大载荷为50kN，低温环境温度范围分别为-150℃～0℃，通过低温密封箱实现温度范围的控制，测量精度为0.5％。

[0081] 在试验中，低温密封箱与液氮罐相连，利用液氮对试验样品进行冷却，向保温箱中不断喷入液氮，液氮雾化程度的不同产生不同的温度，再用自带的传感器对其进行温度控制，在需要的温度下进行力学性能试验。万能试验机配置温度传感器，可精确控制实验温度，保证试验在目标温度下进行，拉伸过程示意图如图4所示。

[0082] 分别在室温、-50℃、-70℃、-80℃和-100℃的条件下使用万能试验机进行拉伸强度试验。连接好万能试验机与电子计算机并确保电源供电正常后，将焊接完成的骨棒状试样固定在万能试验机的拉伸端和固定端，确认低温密封室密封情况良好后开始喷入液氮，对低温密封室进行降温，同时使用温度传感器进行温度监控，达到目标温度并保持稳定后开始进行拉伸试验。选用0.0001/s的应变速率进行拉伸直至试样变形断裂，在此过程中电子计算机记录万能试验机的位移(即拉伸位移)和受力情况(即不同拉伸位移处的抗拉强度)。

[0083] 试样在每个温度等级下至少测试两次，取平均值以获取较准确的试验结果。通过该方法获取温度对焊点的抗拉强度力学性能的影响。

[0084] 步骤3：无铅焊料低温力学特性分析。

[0085] 对Sn3.0Ag0.5Cu焊料与Cu基材的焊点的低温力学性能与断裂行为进行研究。通过不同温度等级的拉伸试验，分析Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点抗拉强度随着温度的变化规律，得到此焊料的韧脆转变温度区间，分析极限低温对焊点拉伸力学性能的影响。

[0086] 如图5中示出焊料Sn3.0Ag0.5Cu断裂韧性随温度变化情况。根据图5可以看出，在大约-75℃的温度以下，焊料的断裂强度随着温度的升高急剧增大，材料表现为脆性，随后，断裂强度随温度的增大略有下降，但变化较为平缓，材料表现为韧性，可初步确定材料性能随温度的变化趋势。

[0087] 如图6中Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点的低温拉伸结果，可以看出室温拉伸时，虽然屈服现象不明显，但是初步断定焊点断裂方式为韧性断裂，而随着温度的降低，拉伸应力-位移曲线在应力最大点处越来越锐利，韧性断裂特征越来越弱化。说明随着温度从室温到超低温-100℃的过程中，焊点的断裂方式从韧性断裂逐渐转变为脆性断裂，温度范围为-70℃～-80℃；同时，还可以发现随着温度的降低，焊点的抗拉强度会很大幅度的提高。

[0088] 根据低温拉伸试验结果可以得到Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点的最大抗拉强度数据，如表2所示，可以得出随着温度的逐渐降低，焊点的抗拉强度在逐渐的增大。在韧脆转变温度范围中，抗拉强度有一个较大的变化。

[0089] 表2 Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在不同温度下的最大抗拉强度值

[0090]

[0091] 根据低温拉伸试验结果，可以看出随着温度的降低，拉伸应力-位移曲线在拉伸应力最大点处越来越锐利，韧性断裂特征越来越弱化。通过分析试验样件在最大拉伸应力处到最终断裂位置的位移量，可以得出如表3所示数据，可以看出随着温度的降低，最大拉伸应力处到最终断裂位置的位移量在逐渐降低，进一步说明随着温度的降低韧性断裂特征越来越弱化。

[0092] 表3 Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点断裂位移量与温度关系

[0093]

[0094] 观察Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料在不同温度下的拉伸断口微观形貌结果如图7所示。

[0095] 图7中(a)；(b)；(c)；(d)；(e)分别为室温、-50℃、-70℃、-80℃、-100℃低温环境下Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点拉伸断口的微观形貌图。从图7(a)和(b)中能够得出温度条件为室温和-50℃时拉伸试验样件的断口表现出明显的韧窝形状，断裂的位置发生在焊料层，表示低温环境温度为室温和-50℃条件下拉伸样件的焊点断裂方式为穿晶断裂中的韧性断裂。从图7(c)中可以看出，当环境温度降低到-70℃时，拉伸焊点试样断口仍然可以观察到大量韧性断裂的韧窝，但韧窝的形状逐渐缩小，焊点的断裂位置部分发生在焊料层中。观察图7(d)在-80℃低温环境下的拉伸断口微观形貌，可以看出断口形貌发生了较大的变化，出现冰糖状颗粒形貌，断口表现为平整的沿晶断裂模式，断裂的位置发生在金属间化合物层中，表现出典型的脆性断裂，与抗拉强度与位移曲线表现出的特征相似。温度环境为-100℃时焊点拉伸断口微观形貌，如图7(e)所示，观察不到任何韧性断裂的韧窝形貌，断裂表面表现出网状脆性形貌，表明在此温度下焊点材料拉伸试验的断裂方式为脆性断裂，这与拉伸试验数据结果基本一致。

[0096] 通过对比Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点各温度的拉伸断口的组织情况就能分析出由于温度的下降，断口形状变成了平整的沿晶断口，而之前是明显的韧窝穿晶断口，此外断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂，断口的抗拉强度有了非常明显的提升，而韧性断裂方式在-70℃到-80℃范围中逐渐消失，-80℃后表现为完全的脆性断裂。拉伸试验温度的降低，使得焊料层出现硬化现象，相比于室温环境下焊点的抗拉强度有明显的增强。在断裂模式发生改变后，焊点的断口形貌发生了较大的变化，焊点的断裂位置也发生了一定的变化，断裂位置主要发生在焊料与铜基体形成的金属间化合物层中，虽然焊点抗拉强度有一点提高，但焊点材料脆化现象明显，焊点抗冲击能力降低。

[0097] 可以看出随着温度的降低焊点在最大拉伸应力处直到完全断裂的位移量在逐渐降低，表明焊点材料在随着温度降低的过程中脆性断裂逐渐增强，断裂更加迅速。

[0098] 步骤四：无铅焊料低温条件下可靠性评估。

[0099] 通过试验得到的无铅焊料在不同温度下的平均最大抗拉强度和平均最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量的数据，可以通过MATLAB进行数据分析处理。我们采取线性多项式拟合和指数拟合两种形式，进行数据的拟合分析，并计算相应的拟合相关性R2。比较两种拟合的R2，输出R2较大的拟合方式以及相应的函数形式，并绘制拟合曲线。

[0100] 根据力学性能参数试验数据，得出Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点材料的韧脆转变低温范围是-70℃～-80℃，分析Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点最大抗拉强度与温度关系，代入温度与平均抗拉强度试验数据，MATLAB输出较优的拟合方式为指数拟合，相应的可靠性模型为，[0101] Rm＝39.2709e-0.0069T

[0102] 式中：Rm表示最大抗拉强度，单位：MPa；T表示环境温度，单位：℃。

[0103] 拟合相关性R2为0.9737。

[0104] 拟合曲线如图8所示。

[0105] 已知抗拉强度与拉力关系可以将最大抗拉强度与温度的关系式进行转换，得到外界拉力与焊点面积和温度的关系式：

[0106] F＝S*Rm＝S*39.2709e-0.0069T

[0107] 式中：F表示外界拉力，单位：N；S表示焊点接触面积，单位：mm2；T表示环境温度，单位：℃。

[0108] 分析Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量与温度关系，带入温度与平均最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量试验数据，MATLAB输出较优的拟合方式为指数拟合，相应的可靠性模型为：

[0109] L＝0.3396e0.0222T

[0110] 式中：L表示最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量，单位：mm；T表示环境温度，单位：℃。

[0111] 拟合相关性为R2为0.9884。

[0112] 拟合曲线如图9所示。

[0113] 电子产品的环境温度为T0，焊点的接触面积为S0时，可以计算得到该温度条件下焊点材料所能承受的最大拉力为F0，该温度下焊点在最大拉伸应力处至完全断裂位置的位移量L0。针对无铅元器件焊点在低温环境下所受外界拉伸或冲击拉力为F，由外力引起的焊点位移量为L时，其焊点的可靠性问题进行以下讨论：

[0114] (1)当T0≥-70℃，此时互连焊点可能会发生韧性断裂失效，①假设外界拉力F≥F0时，其中若由外力引起焊点在最大拉伸应力处之后产生的位移量L≥L0，此时焊点会发生韧性断裂，造成焊点失效；若由外力引起焊点在最大拉伸应力处之后产生的位移量L

[0115] (2)当T0≤-80℃，此时互连焊点可能会发生脆性断裂。焊点在发生脆性断裂时，焊点所受最大应力处至最终断裂位置的位移量是极小的，所以由外力引起焊点在最大拉伸应力处之后产生的位移量L对焊点的断裂决定作用非常小，此时决定互连焊点断裂的主要因素为外界拉力条件。因此，①假设外界拉力F≥F0时，焊点发生脆性断裂失效，对电子产品造成严重的可靠性问题。②假设当外界拉力F

[0116] (3)当-70℃>T0>-80℃，此时互连焊点可能会发生韧脆混合断裂失效。①假设外界拉力F≥F0时，互连焊点发生可能发生混合断裂失效。②当外界拉力F

[0117] 以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

标题	发布/更新时间	阅读量
LED发光装置及照明设备	2020-05-08	111
电力负荷非线性调和综合预测方法、装置及存储介质	2020-05-08	741
一种基于智能社区的服务信息管理系统	2020-05-11	903
基于深度学习的溃疡性结肠炎严重程度评估方法及系统	2020-05-12	949
基于高分卫星遥感影像农业洪涝灾害范围监测系统及方法	2020-05-11	10
一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法	2020-05-12	544
一种双钙钛矿型红光荧光粉及其制备方法与应用	2020-05-12	713
一种基于多特征最优融合的图像显著性检测方法	2020-05-12	831
一种烃源岩的成熟度的快速判别方法	2020-05-08	319
一种渐变式滤光片及具有其的舞台灯	2020-05-11	722

一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法

一种无铅元器件互连焊点低温可靠性评价方法

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：