無鉛焊料的熱疲勞特性

無鉛焊料的熱疲勞特性對無鉛焊料進行熱疲勞研究是最近才開始的事情，至今還沒有構成完整的壽命預測模型，美國NCMS(NationalCenterforManufacturingSciences ）的LeadFreesolderproject曾對無鉛焊料的熱疲勞特性作了大量的研究。作為焊料接合部熱疲勞特性的評價方法， 有通過視力對疲勞開裂的評價方法、 利用電阻值變化的計測方法、 或通過剝離試驗對接合部剩余強度進行測定的方法等， 對有框架引線類的QFP、PLCC等大多采用剝離試驗求出接合部剩余強度再進行評價的方法。圖6.1-圖6.4是將QFP通過Sn-3.5Ag-x系無鉛焊料組裝于基板后，經熱循環(huán)測試的器件與基板接合強度變化，及各個循環(huán)數的接合強度在初始強度下的減少關系（表示單位mass%）采用的 QFP試件由圖 6.5表示（引線間距 0.65mm、線數100）。QFP的引線電鍍了 Sn-20Pb，熱循環(huán)制訂二種方式，-30℃-130℃溫度范圍（△T-160K）和。0℃-100℃溫度范圍（△T=l00K)，升降速度1.78K/min，保持時間10min，采用氣相式溫度循環(huán)試驗機。接合強度使用萬能精密拉伸試驗機，用0.5mm/min的十字型滑塊速度將引線框對著Cu焊區(qū)垂直方向進行拉伸，在試驗次數到30次后，再用威伯爾曲線圖計算出平均拉伸強度。各焊料接合部的初始強度，除去合金AlloyH(Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合強度都在其以上或同等。Sn-3.5Ag在添加Bi后，其接合強度有上升的趨勢，在2%時其強度達到峰值，其它場合強度都表示了降低趨勢，AlloyH合金所顯示的初始強度與其他合金相比是最低的。在添加Cu的場合，接合強度同樣顯示上升，到1%時，比Sn-37Pb、Sn-3.5Ag有更好的接合強度。分析AT=100K時各合金熱循環(huán)和接合強度的關系，不難看出Sn-3.5Ag、添加Cu后的接合強度下降趨勢緩慢，而添加Bi后，不管哪種合金都隨著熱循環(huán)數的增加接合強度明顯下降，對添加Bi比較，Sn-3.5Ag添加Cu、其強度下降非常少，即進入1200次循環(huán)后也不出現熱疲勞損傷，具極優(yōu)異的熱疲勞抵抗性，而添加Bi的合金焊料、其顯示的接合強度，有的比Sn-37Pb還低。由此說明，在△T=100K溫度循環(huán)下，要保證無鉛焊料具Sn-37Pb以上的熱疲勞抵抗性，Bi添加量的界限為2%。T=160K與△T=100K的比較，強度跌落的斜度較大，與添加Bi的合金比較，Sn-3.5Ag和添加Cu的合金熱疲勞特性良好、強度下降系數與△T=100K相同。Sn-3.5Ag的熱疲勞抵抗性最好，在1200次循環(huán)后強度還保持在初始強度的80%添加Bi的合金強度降低與其濃度有關、在1200次循環(huán)后其強度為初始強度的20%程度。添加Cu的合金，明顯地受到熱疲勞損傷，

1200次循環(huán)后其強度大體上與

Sn-37Pb相同。熱疲勞試驗證明，在△ T=160K時，特性超過目前 Sn-37PbSn-3.5Ag或添加 1%Cu以下的合金焊料，從合金熔點的觀點考慮，

所具熱疲勞抵抗的合金有Bi的含量多對其合金性能比較有利，從熱疲勞抵抗觀點考慮，

Bi

的含量應該加以限止．6.2QFP/焊料接合部的熱疲勞損傷過程?！鱐=160K

，經

200、400次循環(huán)后

Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag-5Bi

焊料接合部的各種斷面組織由圖

6.6表示。對其斷面組織觀察，先用

2400＃的金剛砂研磨觀察面，再用

1mm

的金剛石研磨膏進行拋光研磨，

經光學顯微鏡分析、

200次循環(huán)后的

Sn-3.5Ag

和Sn-3.5Ag-0.5Cu

焊料接合部看不到熱疲勞的開裂，

Sn-3.5Ag-5Bi

接合部，在焊料彎月面上部發(fā)現有裂紋，

其裂紋已接近引線框。

400次循環(huán)后的觀察分析、

各個合金接合部均已發(fā)生裂紋，

Sn-3.5Ag

的接合部裂紋的進展量較少、

Sn-3.5Ag-0.5Cu

接合部裂紋已接近引線框，Sn-3.5Ag-5Bi 接合部的開裂就更嚴重。熱疲勞開裂進展傾向，用拉伸的強度下降系數來反映或評價熱疲勞損傷看來是妥當的。 另外，開裂在彎月面上部發(fā)生后， 會向內部發(fā)展，并進一步沿引線框進展的狀態(tài)，這可稱為熱疲勞損傷過程的前半部（顯示焊料疲勞特性） ，焊料/引線框界面的開裂進展狀態(tài)可稱作熱疲勞損傷的后半部，暗示了 QFP/焊料接合部的熱疲勞特性。熱疲勞損傷過程的前半部與焊料的低循環(huán)疲勞特性相似， 也意味著焊料疲勞特性是熱疲勞特性的反映，特別是△ T=100K場合，熱疲勞試驗結果與焊料疲勞特性間有著良好的相關關系。Sn-3.5Ag和Sn-3.5Ag-SBi系合金接合部疲勞開裂的過程，經掃描型電子顯微鏡觀察照片由圖6.7表示，(△T=l60K)。圖示說明，熱疲勞開裂在彎月面上部發(fā)生后向彎月面內部進展并沿著引線框展開。Sn-3.5Ag接合部疲勞開裂狀況。由圖6.7（a）表示的那樣會在生存界面的金屬化合物層附近展開，Sn-3.5Ag-Cu的接合部損傷與上述的相同。Sn-3.5Ag-5Bi接合部的開裂進展情況在圖上也可確認，該合金是Bi含量多的高強度焊料，因焊料層強度高，受負荷的應變在焊料層不能充分吸收，開裂都發(fā)生在接合界面的金屬化合物層內部，通常，開裂都從破壞韌性低的化合物層中向伸長性好的焊料一側緩慢地進展。然而，含有Bi的合金熱疲勞抵抗低，造成焊料本身的疲勞抵抗性低，這是開裂過程容易通過的原因。另外，比引線框電鍍中含有Pb或Bi-Pb，會在Sn-3.5Ag-5Bi焊料的接合界面附近偏析，開裂也會沿這個Pb層進展，有這種因素引起的熱疲勞抵抗劣化，也是需要考慮的。關于無鉛焊料熱疲勞特性目前的研究，只能在有關限止的條件下加以相互比較，今后進行正確壽命預測的詳細研究是必要的。（利用模擬型熱疲勞試驗機）Sn-3.5Ag和