板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

第４２卷２０１３年

第９期９月

稀有金属材料与工程

ＲＡＲＥＭＥＴＡＬ～ＩＡＴＥＲＩＡＬ，ＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖｂｌ．４２．Ｎｏ．９

Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１３

板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

林健，雷永平，吴中伟，杨硕

（北京工业大学，北京１００１２４）

摘要：采用实验测试与数值模拟相结合的方法对锡铅钎料和无铅钎料ＳＡＣ３０５板级焊点分别在热疲劳和机械疲劳载荷作用下的破坏规律进行比较研究。结果表明：相对于传统锡铅钎料而言，常用无铅钎料（ＳＡｃ３０５）焊点结构具有较为优异的抗热疲劳性能，然而其抗机械疲劳性能相对较差。由此，采用有限元方法分析了两种钎料焊点结构在热疲劳和机械疲劳过程中的塑

性应变和蠕变应变演变过程，以探讨表面贴装板级焊点结构热疲劳和机械疲劳破坏过程的本质区别。

关键词：表面贴装结构；板级焊点；热疲劳；机械疲劳；非弹性应变

中图法分类号：ＴＧ４０５

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２一１８５Ⅺ２０１３）０９．１８７４一０５

在电子产品的表面贴装技术（ＳＭＴ）中，板级焊点除作为电气连接的通道外，还在器件与基板之间提供机械连接，一个焊点的破坏往往会造成整个器件的失效［１］。因此板级焊点的质量对于电子产品的使用性能而言是至关重要的。尤其在电子产品使用条件较为恶劣的场合，焊点的可靠性研究更显重要。

已有的研究结果表明，表面贴装结构焊点在服役过程中的热疲劳破坏和机械疲劳破坏是电子产品发生失效的主要形式【２，３１。目前，国内外学者已经在表面贴装焊点结构的热疲劳行为研究方面取得了若干成果【４巧］，但是对于焊点结构机械疲劳破坏行为的研究还较少，而且焊点结构的热疲劳和机械疲劳破坏过程分别遵循不同的失效模式，需要进行深入而细致的研究。

另外，在电子电路中无铅钎料的逐渐推广应用也给焊点在热疲劳及机械疲劳载荷作用下的可靠性研究提出了新的问题。

本实验以电子电路中的板级焊点为例，比较研究板级焊点在热疲劳载荷和机械疲劳载荷作用下的破坏规律。研究中还考虑了焊点材料（包括锡铅钎料和无铅钎料ＳＡＣ３０５）对其破坏过程的影响，期望能为无铅钎料的进一步推广应用奠定基础。

１

传统的锡铅共晶钎料６３Ｓｎ３７ｐｂ，相对应的焊膏型号为

Ｈｅｎｋｅｌ

ＭＰ２１８；另外一种是目前正在广泛推广使用的

５．１。

无铅钎料ＳＡＣ３０５，相对应的焊膏型号为Ｉｎｄｉｕｍ

研究中选用的板级焊点结构为常见的片状元件焊点结构，元器件为片状电阻３２１６（其外形尺寸为３．２

ｍｍ×１．６ｍｍ×０．６

ｍｍ），焊点结构的横截面形状如图

１所示。

根据不同的焊膏要求，元器件可焊端和ＰＣＢ板上的焊盘分别采用不同的镀层材料：对于锡铅钎料，采用锡铅材料的镀层，而对于无铅钎料，则采用镍金镀层。试验板的焊膏印刷、贴片及回流焊过程均在回流焊的自动生产线上进行，根据不同的焊膏特点，锡铅钎料和无铅钎料试验板的焊接分别采用其焊膏推荐的回流焊工艺进行。

Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ

ｃｈｉｐ

０ｕｔｅｒｆｊ儿ｅｔ

实验

图ｌ

Ｆｉｇ．１

ｃｒｏｓｓ

实验在材料为ＦＲ４的常用ｐＣＢ板上进行，其厚度为１．６ｍｍ。实验中使用了两种不同的钎料，一种是

收稿日期：２０１２—０９．２３

焊点结构的横截面示意图

ｓｅｃｔｉｏｎｖｉｅｗｏｆｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓｔｍｃｔｕｒｅ

基金项目：北京市自然科学基金（３１０２００２）；国家自然科学基金（５１００５００４）；北京市委组织部优秀人才培养计划项目；现代焊接生产技术国

家重点实验室开放课题研究基金作者简介：林健，男，１９７９年生，博士，助理研究员，北京工业大学材料学院，北京１００１２４，电话：０１０—６７３９６２４４，Ｅ．ｍａｉｌ：１ｉｎｊｉａｌｌ＠Ｉｂ：ｊｕｔ．

ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据

第９期林健等：板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

・１８７５・

锡铅和无铅钎料的试验板分别进行热疲劳和机械疲劳试验，以比较两种材料焊点结构的热疲劳和机械疲劳性能。试验板的加速热疲劳试验在热疲劳试验机中进行，热疲劳试验的温度范围为一４０～１２５℃，高低温驻留时间均为１５ｍｉｎ，升、降温时间为５ｍｉｎ，一次热循环共计４０ｍｉｎ。热疲劳试验进行至大多数焊点发生破坏。

试验板的机械疲劳试验在力学试验机ＭＴｓ上进行，采用拉一拉疲劳载荷，循环应力比（％ｉ。／‰。）为０．１，频率为５Ｈｚ。根据试验板的疲劳性能选用了不同的峰值载荷，疲劳载荷按照加载在试验板上的名义应力盯计算，如图２所示。

在试验板的热疲劳和机械疲劳期间，通过定期监测焊点结构的电阻值变化和疲劳裂纹扩展来记录焊点的热疲劳破坏和机械疲劳破坏过程。

热疲劳试验中，每２４０个循环周期结束后，每种焊点的试样各取出８个，分别进行电阻值测量，然后镶样，粗磨至焊点的中截面附近处，抛光，观测裂纹在焊点内部的扩展情况。而试验板的机械疲劳试验过程中则可参考热疲劳过程中裂纹扩展与焊点电阻值变化的关系［Ｊ７１，通过四电极方法监测焊点结构电阻值的变化来记录其机械疲劳破坏过程，每种焊点结构选取１２个试样进行测量。２

２．１

Ｔｈｅｍ＝ｌａｌＦａｔｉｇｕｅＣｙｃｌｅ，Ⅳ／ｃｙｃｌｅ

图３焊点结构热疲劳过程中的电阻值变化和裂纹扩展长度

Ｆｉｇ．３

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在热疲劳试验的末期，大多数焊点结构中的热疲劳裂纹贯穿整个焊点钎料，从而造成焊点失效，如图４所示。此时，无铅钎料（ＳＡＣ３０５）焊点结构的热疲劳寿命要大于锡铅钎料。

２．２焊点结构的机械疲劳试验结果

在试验板的机械疲劳试验中，通过四电极方法监测焊点结构的电阻值变化来记录其机械疲劳破坏过程。选取不同的峰值载荷进行疲劳试验，根据焊点结构电阻值的变化来确定各个焊点结构发生疲劳破坏时的应力循环次数（即疲劳寿命）。每种焊点结构共有１２个试样进行疲劳试验，设每种焊点结构一半以上的试样发生破坏时的应力循环次数为该种焊点结构的机械疲劳寿命Ⅳ５。。，则可获得疲劳峰值应力与疲劳寿命之间的关系，如图５所示。

由图５可见，随着机械疲劳载荷峰值应力的增加，焊点结构的机械疲劳寿命Ⅳ５。。逐渐减小。并且，在相同的疲劳载荷作用下，锡铅共晶钎料（Ｓｎ３７Ｐｂ）焊点的机械疲劳寿命要优于无铅钎料（ＳＡＣ３０５）焊点。这表明，在拉一拉机械疲劳载荷作用下，锡铅共晶钎料

实验结果

焊点结构的热疲劳试验结果

在试验板的热疲劳试验中，每隔２４０个热循环周

期检测焊点结构的电阻值变化和内部裂纹的扩展情况，试验结果如图３所示。

由图３可见，随着热疲劳试验的进行，两种焊点结构的电阻值和裂纹长度都逐渐增大。其中，锡铅钎料焊点结构的电阻值和热疲劳裂纹长度相对于无铅钎料焊点而言都增长较快。这表明，无铅钎料（ＳＡＣ３０５）焊点结构具有较为优异的抗热疲劳性能。并且，焊点结构电阻值的增长和钎料中热疲劳裂纹的扩展具有较为一致的对应关系。

图２试验板的机械疲劳测试示意图

Ｆｉｇ．２

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｏｆｔｈｅｂｏａｒｄｅｄ１ｅＶｅｌ

ｓａｍｐｌｅ

图４焊点结构的热疲劳裂纹

Ｆｉｇ．４

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ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ

万方数据

稀有金属材料与工程第４２卷

（Ｓｎ３７Ｐｂ）焊点结构具有较为优异的抗机械疲劳性能。

另外，在文献［８］中，也有无铅钎料（ＳＡＣ３０５）焊点的抗跌落性能不如锡铅共晶钎料焊点的研究报道。由此可见，无铅钎料（ＳＡＣ３０５）焊点的抗疲劳性能不如锡铅共晶钎料焊点。

在机械疲劳载荷作用下，焊点结构中的疲劳裂纹贯穿焊点钎料，从而造成焊点结构的电阻值增加，焊点发生失效，如图６所示。由图６可见，焊点结构的机械疲劳裂纹与热疲劳裂纹类似，都是在钎料内部沿着钎料扩展，最终贯穿整个焊点钎料，从而造成焊点的失效。

板级焊点结构的热疲劳性能和机械疲劳性能的差异。

３．１

焊点结构的热疲劳分析

焊点结构在热疲劳过程中的非弹性应变分析采用

有限元软件ＡＢＡＯＵＳ进行，分析中考虑了焊点结构的平面应变模型，其有限元模型如图７所示。

图７中，假设片状电阻元件（主要是陶瓷材料）、ＰＣＢ的基板材料和铜焊盘均为线弹性材料，在热疲劳过程中不发生非弹性变形。而钎料（包括锡铅钎料和无铅钎料）则为粘弹塑性材料，主要考虑它在热疲劳过程中发生的非弹性应变。另外，在图７的有限元模型中，钎料的力学性能设置为随温度发生变化【９】。

与焊点结构的热疲劳试验相类似，施加相应的温度载荷（温度范围为一４０～１２５℃，高低温驻留时间均为１５ｍｉｎ）在有限元模型上，采用有限元软件进行热力耦合分析。由此，可采用数值方法模拟得到焊点结构在热疲劳过程中所产生蠕变应变和塑性应变的分布，如图８所示。而焊点结构中最大等效蠕变应变和最大等效塑性应变随时间演变的规律如图９所示。

由图８可见，在焊点结构的热疲劳过程中，蠕变应变的绝对值要远大于塑性应变。由于焊点结构的热疲劳寿命与其在热疲劳过程中所产生的非弹性应变数值密切相关，可以断定在焊点结构的热疲劳过程中，其

３焊点结构疲劳过程中的有限元分析

由以上的试验结果可以看到，在试验板的疲劳试验中，无铅钎料（ＳＡＣ３０５）焊点具有较佳的抗热疲劳性能；而锡铅共晶钎料（Ｓｎ３７Ｐｂ）焊点具有较佳的抗机械疲劳性能。这可能与焊点结构中的钎料在疲劳过程中所产生的非弹性应变的演变过程有关，在研究中采用有限元方法分析了钎料焊点分别在热疲劳和机械疲劳载荷作用下的非弹性应变演变过程，进一步探讨

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热疲劳寿命主要取决于焊点结构中的蠕变应变数值。而且，在图９中，锡铅钎料焊点结构在热疲劳过程中所产生的蠕变应变和塑性应变分别大于无铅钎料（ＳＡＣ３０５）的蠕变应变和塑性应变。结合ＳＡＣ３０５无铅钎料相对于锡铅钎料具有较好的抗蠕变性能［１０１，ｓＡＣ３０５无铅钎料焊点应具有更好的抗热疲劳性能，这与焊点结构的热疲劳性能测试结果相一致。

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３．２焊点结构的机械疲劳分析

与焊点结构的热疲劳分析相似，焊点结构的机械疲劳分析也采用如图７所示的有限元模型进行，采用相同的材料力学性能。与热疲劳分析不同的是，施加在机械疲劳分析模型上的疲劳载荷为如图２所示的拉．拉应

图５焊点结构机械疲劳峰值应力与疲劳寿命的关系

Ｆｉｇ．５

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图７焊点结构热疲劳分析的有限元模型

图６焊点结构的机械疲劳裂纹

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万方数据

第９期

林健等：板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

・１８７７・

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图８焊点结构在热疲劳过程中的非弹性应变分布

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图１０焊点结构在机械疲劳过程中的非弹性应变分布

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图９焊点结构在热疲劳过程中最大非弹性应变的演变过程

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焊点结构在机械疲劳过程中最大非弹性应变演变过程

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ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔ

力疲劳载荷，施加在有限元模型的边界上，沿ＰＣＢ板的长度方向。

对焊点结构的机械疲劳模型进行热力耦合分析，焊点结构在机械疲劳过程中所产生的蠕变应变及塑性应变分布如图１０所示，而焊点结构中最大等效蠕变应变和最大等效塑性应变随时间演变的规律则如图１ｌ所示。

由图１０和图１１可见，在焊点结构的机械疲劳过程中，由于机械疲劳载荷的频率较高（５Ｈｚ），塑性

应变的绝对值要远大于蠕变应变。由此，与焊点结构的热疲劳过程不同，在机械疲劳过程中，焊点结构中的塑性应变值应为导致焊点结构发生疲劳失效的关键因素，也即是焊点结构的机械疲劳寿命主要取决于焊点结构在机械疲劳过程中产生的塑性应变数值。

由此可见，在机械疲劳过程中，焊点结构中的非弹性应变（包括蠕变应变和塑性应变）演变过程是不同于热疲劳过程的：在热疲劳过程中，焊点结构中的

万方数据

・１８７８・

稀有金属材料与工程

艺技术）【Ｊ］，２００６，２７（４）：２０５

第４２卷

蠕变应变数值占主导地位；而在机械疲劳过程中，则是塑性应变数值占主导地位。这可能是导致ＳＡＣ３０５无铅钎料焊点结构相对于传统锡铅钎料而言具有较佳抗热疲劳性能，而抗机械疲劳性能较差的关键因素。然而，ＳＡＣ３０５无铅钎料抗机械疲劳性能相对较差的机理还需要进一步的深入研究。

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振忠）．Ｅ￡凹ｆ阳竹耙Ｃ删妒Ｄ行ｅ，ｌ括棚ｄ朋－口ｆｅｒｌ口ｂ（电子元件与材料）［Ｊ】，２００６，２５（３）：５【４】Ｌｉｕ

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Ｐ臼ｃｋｇｆ馏死ｃ｜ｉｌｎｏ，Ｄｇｆ酷［Ｊ】，２００３，２６（２）：４５５

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术）［Ｊ］，１９９７，１８（５）：１８２【６】Ｔｕ

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４结论

１）ｓＡＣ３０５无铅钎料焊点结构相对于传统锡铅钎料焊点而言，机械疲劳寿命较短，而热疲劳寿命较长。

２）板级焊点结构在热疲劳过程中，蠕变应变的数值远大于塑性应变，而在机械疲劳过程中，则是塑性

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应变数值占主导地位。这可能是ｓＡｃ３０５无铅钎料板级

焊点结构在热疲劳和机械疲劳过程中表现出不同性能特点的重要原因。

【７］ＬｉｎＪ，Ｌｅｉ

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万方数据

板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

林健， 雷永平， 吴中伟， 杨硕， Lin Jian， Lei Yongping， Wu Zhongwei， Yang Shuo北京工业大学,北京,100124

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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xyjsclygc201309022.aspx