Cu-SAC-Cu微焊點(diǎn)變溫原位塑性及蠕變行為研究.pdf

1、隨著表面組裝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子元器件的尺寸愈來愈小，使得焊點(diǎn)的尺寸也愈來愈小，而焊點(diǎn)所承受的熱學(xué)、電學(xué)以及力學(xué)載荷卻愈來愈大，微焊點(diǎn)的可靠性將會是影響整個(gè)電子產(chǎn)品性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。這就對釬焊封裝工藝性能及釬料的力學(xué)性能提出了更高的要求，特別是釬料的抗疲勞和抗蠕變性能，以滿足電子產(chǎn)品對微焊點(diǎn)可靠性不斷增長的需求，使其在服役過程中可靠運(yùn)行。本文以課題組自主研發(fā)的專利產(chǎn)品低銀無鉛釬料SAC0705BiNi和市場上廣泛采用的高銀無鉛釬料SA

2、C305形成的BGA微焊點(diǎn)為研究對象，采用納米壓痕試驗(yàn)方法，借助微型加熱裝置，原位研究了不同溫度(25℃、50℃、75℃、100℃和125℃)條件下微焊點(diǎn)體釬料的塑性及蠕變行為。為了獲取釬料中加入的微量元素Bi和Ni以及Ag含量對微焊點(diǎn)高溫蠕變性能與塑性的影響，本文采用低銀無鉛釬料SAC0705作為對比。采用溫度巡檢儀和Fluke VT02可視紅外測溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣的溫度。借助納米壓痕儀自帶拍照功能，對不同溫度下三種成分微焊點(diǎn)體釬料壓頭

3、空載后瞬間的壓痕形貌進(jìn)行了拍照，并分析了不同溫度下壓痕周邊形貌。采用FIB微加工技術(shù)獲得了壓頭下方的壓痕截面，并采用掃描電鏡(SEM)對壓痕形貌進(jìn)行觀察分析。
　　研究了三種成分微焊點(diǎn)體釬料室溫下的塑性變形行為，對納米壓痕法獲得的壓入載荷-深度曲線進(jìn)行物理反解析，建立了三種微焊點(diǎn)體釬料的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型;比較了三種微焊點(diǎn)體釬料在室溫下抵抗塑性變形的能力;分析了在納米壓痕試驗(yàn)中應(yīng)變速率對微焊點(diǎn)體釬料塑性變形行為的影響。結(jié)果表明:三

4、種微焊點(diǎn)體釬料中，Cu/SAC0705BiNi/Cu的抵抗塑性變形的能力最強(qiáng)。隨著應(yīng)變速率的增大，壓痕深度與尺寸逐漸減小，微焊點(diǎn)體釬料的硬度值隨應(yīng)變速率的增大而升高。
　　借助納米壓痕方法與自制微型加熱輔助裝置，獲得了變溫條件下三種成分微焊點(diǎn)體釬料的硬度、壓入彈性模量和塑性因子分別隨溫度變化的規(guī)律，分別建立了這三種力學(xué)性能參數(shù)與溫度之間的本構(gòu)關(guān)系模型。試驗(yàn)結(jié)果表明:硬度隨溫度呈指數(shù)衰減關(guān)系，壓入彈性模量隨溫度呈一次函數(shù)負(fù)相關(guān)，塑性

5、因子隨溫度呈一次函數(shù)正相關(guān)。三種微焊點(diǎn)中，Cu/SAC0705/Cu體釬料的壓入彈性模量溫度效應(yīng)因子KE和硬度溫度效應(yīng)因子KH的絕對值最大，對溫度最為敏感;三種微焊點(diǎn)體釬料的塑性因子δH隨溫度升高而趨于一致。
　　分別獲得了三種微焊點(diǎn)體釬料在變溫(25℃～125℃)下的蠕變應(yīng)力指數(shù)與蠕變激活能，并分別建立了它們的壓入穩(wěn)態(tài)蠕變本構(gòu)模型，揭示了三種微焊點(diǎn)體釬料的蠕變變形的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)在100℃和125℃下壓痕表面周圍存在“壓痕熱-力

6、耦合影響環(huán)狀區(qū)”，在壓頭下方壓痕截面尖端處，同樣發(fā)現(xiàn)了“壓痕熱-力耦合影響環(huán)狀區(qū)”。分析“壓痕熱-力耦合影響環(huán)狀區(qū)”的成因是在保載一定時(shí)間，溫度足夠高和施加外力的共同作用下產(chǎn)生。
　　對比分析了不同加載模式下三種成分微焊點(diǎn)體釬料的蠕變力學(xué)行為。采用階梯加載、一次加載和預(yù)設(shè)深度加載模式獲得了變應(yīng)力條件下三種微焊點(diǎn)體釬料的壓入蠕變行為，對比分析了三種微焊點(diǎn)體釬料的壓入蠕變率與壓入松弛率。結(jié)果表明:經(jīng)階梯加載下的多次加載-保載-卸載使得

7、壓痕周圍的體釬料產(chǎn)生了應(yīng)變硬化、時(shí)問硬化和蠕變硬化現(xiàn)象，使蠕變硬度顯著增加。
　　對微焊點(diǎn)Cu/SAC305/Cu硬度的壓痕尺寸效應(yīng)和其幾何尺寸效應(yīng)對蠕變性能的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:壓痕深度越小，壓痕硬度值越大，呈現(xiàn)出明顯的壓痕尺寸效應(yīng)。用來表征壓入深度對硬度值影響的材料塑性特征尺度h*，隨著溫度的升高而降低。在相同焊接工藝參數(shù)下，Cu/SAC305/Cu微焊點(diǎn)幾何尺寸越小，微焊點(diǎn)體釬料中晶粒越細(xì)小。在相同載荷條件下，小尺