低银无铅焊料的动态力学性能研究固体力学大学论文.docx
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低银无铅焊料的动态力学性能研究固体力学大学论文
密级：
学校代码：
10075
分类号：
学号：
20111355
工学硕士学位论文
低银无铅焊料的动态力学性能研究
学位申请人：
李娜
指导教师：
牛晓燕副教授
学位类别：
工学硕士
学科专业：
固体力学
授予单位：
河北大学
答辩日期：
二○一四年五月
ClassifiedIndex:
CODE:
10075
U.D.C.NO:
20111355
ADissertationforthedegreeofM.Engineering
StudyonDynamicMechanicalPropertiesofLowSilverLead-FreeSolder
Candidate:
LiNa
Supervisor:
A.P.NiuXiaoyan
AcademicDegreeAppliedfor:
MasterofEngineering
Specialty:
SolidMechanics
University:
HebeiUniversity
DateofOralExamination:
May,2014
摘要
便携式电子产品在运输与使用过程中经常会发生跌落与撞击等问题，要求焊点具备优异的抗跌落性能。
另外，电子元器件在服役过程中会放出大量的热量，导致焊点温度升高，我国部分地区冬季的温度历史上最低达为-50℃左右，也会影响焊点的实际温度，对电子产品在较低或较高的温度下使用都会影响焊点的力学性能，从而影响其寿命。
目前对低温下焊点的力学性能研究还很少。
随着人类环保意识的增强及电子行业对成本的控制，低银无铅焊料逐渐取代了高银无铅焊料。
也为焊点的可靠性提出了新的课题。
基于以上问题，本文对低银无铅焊料的力学性能以及焊点的可靠性进行了系统性的研究，主要工作和结果如下：
（1）在不同工况下，采用电子万能材料试验机和分离式霍普金森压杆装置（SHPB）对低银无铅焊料Sn0.3Ag0.7Cu分别进行准静态和动态试验，研究发现，在不同的温度范围内，应变率与温度对低银焊料Sn0.3Ag0.7Cu的塑性变形的影响是不同的，在中高温区（40℃~100℃），材料的应变率硬化效应和温度软化效应较低温区（-45℃~0℃）明显减弱；基于以上实验数据和Johnson-Cook模型拟合得到低温和中高温下Sn0.3Ag0.7Cu的动态本构关系。
（2）对板级VFBGA封装的跌落情况进行有限元分析，结果表明，对于低银无铅焊料Sn0.3Ag0.7Cu，低温下焊点上最大应力的分布主要分布在焊点的界面处，与中高温不同；与高银焊料相比，低银焊点的测试板一侧应力要大于封装体一侧，与高银焊点正好相反，且最大应力大大低于高银焊料，也说明低银焊料的抗跌落性能明显优于高银焊料。
关键词低银无铅焊料霍普金森压杆Johnson-Cook模型有限元分析
Abstract
Itisinevitabletocausetheportableelectronicproductsdroporimpactintheprocessoftransportationorapplication，soweexpectthesolderjointsownexcellentresistancetodrop.Inaddition,theelectroniccomponentswillreleasealotofheatintheprocessofservice,andleadtohightemperatureofsoldeaccordingly.Thelowesttemperatureofourcountryinthehistoryisaroundfor-50℃,whichwillaffectthemechanicalpropertiesofsolderjointsintheuseofelectronicproductsunderloworhightemperature,thusthelifeofelectronicproductstouseisaffected.Currently,thereislittleresearchaboutthemechanicalpropertiesofsolderjointsunderlowtemperature.Alongwiththeimproveofhumanawarenessofenvironmentalprotectionandcostcontrolofelectronicindustry,low-silverlead-freesoldersproductsweregraduallyreplacedhigh-silversolderproducts,alsoputforwardthenewsubjectforthesolderjointreliability.
Tosolvetheaboveproblems,inthispaperthemechanicalpropertiesoflowsilverlead-freesolderandsolderjointreliabilityofsystematicwerestudied.Themainworkandresultslistasfollows:
1）ThemechanicalpropertiesoflowsilversolderSn0.3Ag0.7CuwerecharacterizedbyusinganelectronicuniversalmaterialtestingsystemandSplitHopkinsonPressureBar（SHPB）underdifferentconditions.TheresultsshowthatthestrainratehardeningandtemperaturesofteningeffectsontheplasticdeformationoflowsilversolderSn0.3Ag0.7Cuaredifferentamongexperimenttemperatureranges.Inhightemperatures（40℃~100℃）,thestrainratehardeningeffectandtemperaturesofteningeffectwereweakerthanlowtemperature（-45℃~0℃）.ThedynamicconstitutiverelationshipwasdeterminedthroughtheseexperimentsbasedonJohnson-Cookmodel.
2）ThemodelofVFBGApackaginginboard-leveldropconditionwasestablishedbythefiniteelementmethod.Theresultsshowthat,asforlowsilverlead-freesolderSn0.3Ag0.7Cu,thedistributionofthemaximumstressonthejointswasobservedintheinterfaceofthesolderjointsatlowtemperature;Comparedwithhighsilversolder,thestressaroundtestplatesidesilversolderisgreaterthanthataroundthesideofthepackage,whilehighsilversolderjusttheopposite;Andthemaximumstressoflowsilverlead-freesolderismuchlowerthanthatofthehighsilversolder,whichshowsbetterresistancetodrop.
Keywordslowsilverlead-freesolderSHPBJohnson-Cookmodelthefiniteelementanalysis
目录
第1章绪论1
1.1电子封装概述1
1.1.1电子封装的分类2
1.1.2电子封装的历史3
1.2电子封装的可靠性4
1.3无铅焊点的可靠性及研究现状6
1.4本论文的主要研究内容8
第2章冲击动力学10
2.1冲击动力学概述10
2.2冲击载荷的响应11
2.2.1冲击响应的影响因素11
2.2.2冲击动力学的响应的分析方法11
2.3跌落冲击13
2.3.1概述13
2.3.2BGA板级跌落冲击实验装置14
2.3.3跌落理论18
第3章低银无铅焊料动态力学性能的实验研究20
3.1引言20
3.2力学实验20
3.2.1试件制备及加工20
3.2.2静态实验装置及原理20
3.2.3动态实验装置及原理23
3.3实验结果及分析26
3.3.1应变率对材料力学性能的影响26
3.3.2温度对材料力学性能的影响28
3.3.3温度与应变率共同作用对材料力学性能的影响30
3.4本构关系的确定30
3.5本章小结32
第4章VFBGA焊点在跌落冲击下的有限元分析34
4.1引言34
4.2.1有限元思想34
4.2.2ANSYS/LS-DYNA简介37
4.3有限元模拟39
4.3.1有限元模型的建立39
4.3.2材料参数40
4.3.3载荷和边界条件42
4.4有限元结果分析43
4.4.1室温下焊点的有限元分析44
4.4.2温度对焊点的影响45
4.4.3与高银焊料的比较47
4.5本章小结48
第5章结论与与展望50
5.1结论50
5.2下一步工作展望51
参考文献52
致谢57
第1章绪论
1.1电子封装概述
电子封装指的是根据电路图，将裸芯片、金属、陶瓷等物质先制造成芯片、元件、板卡，再制造成电路板，最终组成电子产品的整个组装工程。
电子封装不仅是连接内部芯片和外部电路的纽带，还具有固定、密封、增强芯片散热及保护芯片的功能[1,2]。
电子封装影响着电子产品的电、热、光以及机械性能，直接关系到电子产品的可靠性和成本，电子产品的日渐小型化与电子封装也有不可分割的关系，因此，电子封装技术是电子制造技术的重要基础。
图1-1电子封装的分类
1.1.1电子封装的分类
电子封装可分为零级封装、一级封装、二级封装和三级封装[2]。
如图1-1所示
（1）零级封装是指晶片级的连接
根据成本控制、芯片和基板上I/O（Input/Outputterminal）端口的数目和间距等采用不同的技术将晶片进行连接。
主要有以下几种方法：
1）引线键合（WireBonding），又称键合为压焊即在一定压力下，利用金丝或铝丝实行金-金键合，铝-铝键合或金-铝键合。
其I/O端子数目最大约为1000，单排或双排连续的引线键合可以满足逻辑电路的塑料和陶瓷封装的需要。
2）载带自动焊（TapeAutomatedBonding,TAB）自动引线键合较普通的引线键和速度更快，效率更高，可靠性也非常好。
其I/O端子最大数目与引线键和相同，不适合较高的密度封装。
3）倒装焊（FlipChip，FC）芯片的整个表面被面阵列焊接的C4所覆盖，周边排布的间距更细，I/O数最高可达2000~3000。
可以在多I/O端口数目下保持小的芯片尺寸，此技术的关键点之一是C4和TAB都需要在芯片表面形成凸点。
（2）一级封装是集成电路中将一个或多个集成电路（IC）芯片用适当的材料封装成单芯片组件或多芯片组件，即将一个或多个具有一定功能的电路芯片，放置在一个特定材料做成的外壳容器或保护层中，并保证外部的机械连接和电学连接正常，使其有一个可靠的工作环境。
并需要进行一系列的环境、气候和机械性能测试。
一级封装是电子封装中变化最快、发展最迅速的领域，电子产品的集成度和密度不断提高，迫切要求封装技术不断适应新的发展。
其中常见的典型技术有以下几种：
1）针栅阵列（PGA，Pingridarray）封装，也叫插针网格阵列封装一般用于可能出现多次插拔操作器件的场合。
由这种技术封装的电子产品有多个由内至外的方阵形的插脚（针），每个方阵形插针在芯片的四周以一定的间隔排列，根据管脚数目的多少，可以围成2～5圈。
安装时，将器件插入专门的PGA插座。
为了使得CPU器件能够更方便的安装和拆卸，从486芯片开始，出现了一种ZIFCPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在印刷电路板上安装和拆卸的要求。
2）球栅阵列（BGA）封装（BallGridArrayPackage）该封装技术的出现满足了CPU、主板商等对高密度、多引脚封装、高性能封装技术的要求。
虽然该技术的I/O引脚数增多，但引脚之间的距离大于QFP，从而其组装成品率比用铜引脚的QFP反而有所提高，但BGA封装占用基板的面积比较大。
该技术采用的是可控塌陷法焊球阵列焊接，可提高电子产品的散热性能。
另外，通过采用共面焊接的方法可大幅度提高封装的可靠性，并且由该技术实现封装的产品很大程度上削弱了CPU信号的传输，大大提高了适应频率。
3）芯片尺度封装（CSP，ChipScalePackage）
该封装技术的出现减少了芯片封装外形的尺寸，它一般要求封装面积小于1.5倍的芯片面积，分为引线框架改进的CSP、软衬底CSP、硬衬底CSP、硅片级CSP共四类，一般要求封装面积不能高于1.2倍的芯片面积，芯片尺度封装的封装效率超过BGA。
该技术封装的CPU芯片面积与封装面积比值很小，因此这种类型CPU工作频率也比较高，而且这种类型的CPU还可以满足芯片I/O引脚不断增加的需要，同时在时间的延迟方面也有着很好的表现。
（3）二级封装是直接将各种元器件或封装产品安装在印刷电路板上。
其封装技术主要有三种：
一种是引脚需要插入通孔（PTH，Pin-thought-hole）的引脚插入类，另一种是引脚表面贴装类，使用表面贴装技术（SMT）实现表面贴装器件（SMD）和印刷电路板的连接。
第三类是BGA封装，使用面阵列形式的焊球代替了引脚。
（4）三级封装技术更加立体，将二级封装好的元器件或插板封装到更大的木板上，构成的系统更加完整、复杂。
1.1.2电子封装的历史
电子封装技术是电子制造技术的重要部分，在通信工业、汽车、航空航天、工业自动化、消费类电子产品等领域得到了广泛的应用，是一个国家信息化发展水平的体现。
伴随着电子产品的出现及发展，在过去几十年里，为满足集成电路向小型化、高速化、大功率发展的需要，电子封装技术一直朝着尺寸小、I/O多、密度高、可靠性高、散热能力好、自动化组装的方向发展[3,4]，取得了不少进步和发展。
电子封装技术大致经历了三个时期。
第一时期，1947年伴随着第一只晶体管的诞生，电子封装的历史开启，直至20世纪80年代，其封装技术主要采用针脚插装。
由于对对准精度要求较高，组装效率较低，逐渐不能满足集成电路的高速发展。
第二时期，20世纪80年代，SMT的出现开启了电子制造技术领域的新纪元，其主要特点是引线替代针脚，通过两边或四边引出的细微的引线将集成电路封装到PCB上，降低了成本，提高了可靠性。
第三时期，20世纪90年代，可以沿用SMT技术的面阵列封装结构BGA、CSP、Flip、Chip的出现解决了芯片小而封装大的矛盾。
加快了电子产品的发展。
第四时期，进入21世纪，随着电子产品的集成度越来越高，电子封装技术高速发展，进入高密度封装时期,上一代的封装技术经过发展，出现了多芯片封装（MultiChipPackage）、三维叠层封装（StackPackages）、以及系统级芯片（SOC）等。
1.2电子封装的可靠性
按照郭勇基《可靠性工程原理》中对可靠性的定义“可靠性是部件、元件、产品或系统的完整性的最佳数量的度量。
可靠性是指部件、元件、产品或系统在规定的环境下、规定的时间内、规定条件下无故障地完成其规定功能的概率”[5]。
可靠性是各行各业产品的一个重要指标，综合反映了一个产品的无故障性、维修性、耐久性和使用经济性等。
可靠性工作的主要内容包括基础、技术、管理等方面。
基础部分指可靠性数学模型、数理统计、失效物理等有关理论及相关实验设备的准备，如可靠性实验设备、环境实验设备及相关检测分析的仪器设备等。
技术部分包括产品本身的可靠性和使用过程中的可靠性，具体包括设计过程的可靠性、制造工艺流程的可靠性、进行可靠性试验和对失效的检测分析等。
管理是指按照社会、政府或企业管理体系，对可靠性纲要和标准进行制定和执行，对与产品生产、测试过程中进行可靠性监督及评审，将信息收集、整理并及时反馈等。
高集成度以及高密度封装技术的发展使得电子产品变得轻巧、便于携带的同时，电子产品的可靠性也面临着新的挑战。
高密度的电子封装影响了电子产品的散热功能，很多行业，如科学考察、医疗救护、工程建设等经常需要携带精密的高科技产品进行野外作业等。
野外恶劣的气候环境都会影响材料的力学性能，高温或低温、高湿、跌落撞击等都会影响电子封装的可靠性。
电子封装的可靠性是以评价电子封装体系抵抗器件功能退化的能力来评价的。
可靠性的研究不是产品开发出来后的附加工作，而是产品设计中重要内容，尤其对于高集成度以及高密度封装技术的电子产品，电子封装的可靠性是必须重点考虑的问题。
考察可靠性问题，就需要对产品的失效模式深入研究，研究失效原因[6-17]。
按照电信号失效的模式可以将电子封装的失效大致分为三类：
1电路中有干扰其产生的原因可能是因为断裂萌生、不稳定接触、不稳定温度分布等。
2电路短路其产生的原因可能是腐蚀、电解枝状晶体形成、引线位移、电介质击穿、环氧树脂性能改善、过热等。
3电路开路其产生的原因可能是引线键合失效、内部微小空洞、接触弹簧蠕变、腐蚀、疲劳裂纹、机械损伤等。
按照制造与使用环境电子封装的失效模式主要有以下几种：
1热失效
对于高集成度、高密度的电子产品，其散热问题不容忽视，热失效是由于电子产品在服役时，电流在产品内部通过三极管与引脚组成的半导体元件时受到阻抗后，会将电能转变为热量，热量计算公式为
，电子产品使用时间越长，放出的热量越多，如果散热性设计不合理，会导致器件内部温度急剧升高。
当温度上升到材料所能承受的上限时，电子产品将因材料失效而瞬间停止工作，长时间使用的笔记本电脑，如果散热性不好，会自动关机，也是因为这个原因。
温度升高还会产生其他模式的失效。
如引起材料内部的寄生化学反应、杂质扩散、材料的机械蠕变等。
2湿度引起的封装断裂
在消费电子领域，很多以高分子材料为基体的封装材料因成本低，重量轻而被广泛使用。
然而，高分子材料具有亲水性，将吸湿后的封装器件置于回流焊的高温环境实施表面贴装时，因为材料之间热膨胀系数不一致，界面处会产生热应力，热应力超出了胶和芯片的粘合强度，就会出现分层，在分层处水由液态迅速变成高压水蒸气，导致裂纹在塑封层与芯片连接的拐角处萌生，并沿着塑封层的边角生长，水汽压力沿着裂纹得以释放，往往会发生爆裂。
3焊点失效
早期的插孔式封装是将元件引脚插孔在PCB板背面进行焊接，这种焊点的机械强度都较高，不存在可靠性问题。
近期的封装技术是一般直接通过焊料将元件焊接在PCB表面上的，由于各材料间的热膨胀系数存在差异，焊点内将经历周期性的应力应变过程，会使焊点失效，产生疲劳失效。
另外，当电子产品受到跌落撞击时，由于惯性作用及焊点微小的体积，焊点内部也将产生巨大的应力，会导致焊点的力学断裂，在电子封装中，焊点起着机械连接和保障电路中电信号畅通的作用。
焊点的失效将可能导致整个电路系统瘫痪。
因此电子封装的可靠性很大程度上取决于焊点的可靠性。
1.3无铅焊点的可靠性及研究现状
在电子元件中，焊点承担着电气连接与机械连接的双重作用，电子产品的可靠性很大程度上取决于焊点是否失效，电子产品在作业时会放出热量，电子元件与基板的热膨胀系数之间存在差异，起连接作用的焊点承受应力并发生应变，在反复作用下，焊点会发生疲劳开裂。
在发生跌落冲击时，由于焊点微小的体积使其承受巨大的应力，也会导致焊点的失效，对焊点的性能的研究是很有必要的。
目前对无铅焊料的研究主要分为以下几个方面：
对材料的改性、对材料的力学性能的研究，可靠性的研究，微观组织结构的研究几个方面[18-66]。
1对材料的改性的研究
目前，第二代无铅焊料低银无铅焊料正逐渐取代高银无铅焊料。
研究发现，低银含量的焊料相对于高银焊料有优异的抗跌落性能，但是随着银含量的减少，其也存在一定的缺点，比如焊接时具有较高的起始熔化温度，熔程加长，高温蠕变性能变差等，通过在材料中添加微量元素可以使材料的性能得到改善。
例如毕文珍等[18]对Sn-XAg-0.3Cu-3Bi-0.05Er（SACBE）（X=1.0,1.5,2.0）的性能进行了研究，发现与高银焊料Sn-3.0Ag-0.5Cu相比，SACBE焊料的起始熔化温度降低，润湿性能提高，韧性也得到改善。
刘晓刚等[19]在低银无铅焊料Sn0.3Ag0.7Cu中添加了Ni元素，发现可以改善材料的润湿性，提高其力学性能。
2材料的力学性能的研究
目前为止，应力和应变仍然是评价材料力学性能的主要参数。
随着消费型电子产品的广泛使用，跌落、撞击现象时有发生，只考察材料的准静态下的力学性能已经不能满足当前电子行业发展需求。
研究发现，材料的动态力学性能与静态力学性能有很大差别，且温度对材料的动态力学性能都是不能忽略的。
另外，随着封装技术的高集成度与高密度的发展趋势，焊点的体积已经由常规的毫米数量级（mm）降至微米数量级（µm）在微小尺寸和微小尺度内,材料在宏观状态下呈现出的力学性能已经不再适用，表现出尺寸效应。
因此,许多宏观的力学参数进入微观尺度后要重新界定。
纳米压痕技术能够在有限的微小的材料体积内产生很高的应力、应变或应变率，已广泛应用于对无铅焊点的力学性能的研究中。
张新等[20]将分离式霍普金森压杆系统与压痕实验装置相结合，设计了动态压痕试验装置，能够得到微小焊点的动态性能。
刘美娜等[21]通过纳米压痕实验比较了低银无铅焊料与高银无铅焊料在循环力的作用下的性能，发现在实验过程中，低银无铅焊料Sn0.3Ag0.7Cu的能量损耗大于高银无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu。
Lotfian,S等[22]对焊点与基板间的金属化合物进行了高温下的纳米压痕测试，发现Cu6Sn5的机械性能对温度有很强的依赖性，而Cu3Sn则稳定性较好。
3可靠性研究
电子产品在使用时，
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