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板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

2014/6/14    来源:万方数据    作者:林健  雷永平  吴中伟  杨硕      
关键字:板级焊点  热疲劳  机械疲劳  
文章介绍了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。

    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。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。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,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 实验

    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无铅钎料SAC305,相对应的焊膏型号为Indium 5.1。

    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3.2mm×1.6mm×0.6mm),焊点结构的横截面形状如图1所示。

图1 焊点结构的横截面示意图

图1 焊点结构的横截面示意图

    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。

    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-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(σminmax)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σ计算,如图2所示。

图2 试验板的机械疲劳测试示意图

图2 试验板的机械疲劳测试示意图

    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,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。

责任编辑:吴星星
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