焊點(diǎn)的失效模式有哪些 (2)
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焊點(diǎn)的失效模式有哪些 (2)
在老化和熱循環(huán)過程中，焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)粗化和晶粒的取向是影響的焊點(diǎn)失效的重要因素。本文主要討論錫晶粒大小和取向?qū)o鉛焊點(diǎn)熱機(jī)械響應(yīng)和可靠性的影響。
不同晶粒取向影響金屬?gòu)椥院蜔崤蛎浵禂?shù)。如圖1所示，Bieler et al. 發(fā)現(xiàn) Sn晶粒在c軸上有著接近三倍大于a軸的各向異性彈性。c軸的熱膨脹系數(shù)也接近兩倍大于a軸。
當(dāng)c軸平行于焊盤時(shí)，會(huì)使無鉛焊料和基板的熱膨脹系數(shù)差異。由于熱膨脹系數(shù)高度不匹配和高模量，容易在焊點(diǎn)拐角處形成大應(yīng)力并局部再結(jié)晶，從而造成焊點(diǎn)裂紋。另外在熱循環(huán)的電子系統(tǒng)中，應(yīng)力遠(yuǎn)高于屈服力可能導(dǎo)致兩個(gè)相鄰的，取向錯(cuò)誤的晶體 (Bieler et al., 2006)。焊點(diǎn)可能只包含一個(gè)晶粒。 晶粒取向的各向異性性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)之間的應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致小焊點(diǎn)容易受到?jīng)_擊。
焊料是有著高表面能的材料，因此受到熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力時(shí)焊點(diǎn)會(huì)吸收能量，使得原子擴(kuò)散速度更快，并致使晶粒生長(zhǎng)或成核。隨著晶粒變大，焊點(diǎn)空洞會(huì)增多。晶粒大小對(duì)焊點(diǎn)的塑性和蠕變性有著明顯影響。Chanchani (1999)對(duì)層狀微觀結(jié)構(gòu)的SnPb合金模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著晶粒粗化程度變高，最大應(yīng)力和應(yīng)變值增加 (圖2)。如果應(yīng)力增加超過了焊點(diǎn)屈服應(yīng)力，則會(huì)導(dǎo)致塑性變形并影響焊點(diǎn)疲勞程度。對(duì)兩相合金如SnPb焊料而言，由于Pb不與基板形成金屬間化合物，熱應(yīng)力作用下Pb再結(jié)晶并形成大晶粒。
在焊料中加入一些摻雜物如Ti, Ni等或許可以抑制大晶粒生長(zhǎng)和起到細(xì)化晶粒大小的作用。
參考文獻(xiàn)
Bieler, T.R., Jiang, H., Lehman, L. P., Kirkpatrick, T., & Cotts, E.J. (2006), " Influence of Sn Grain Size and Orientation on the Thermomechanical Response and Reliability of Pb-free Solder Joints", Electronic Components and Technology Conference, 56th, pp.370-381.
Chanchani, R. (1999), "Modeling and Simulation - The Effects of Grain Coarsening on Local Stresses and Strains in Solder Microstructure".
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