無鉛焊點(diǎn)的熱損傷電測理論及應(yīng)用.pdf

1、高密度電子封裝集成化,使得焊點(diǎn)可靠性評估和檢測更加困難,而封裝無鉛化,又給焊點(diǎn)可靠性研究帶來新的問題。無鉛焊點(diǎn)的可靠性問題中,熱可靠性問題占了大部分,其熱可靠性問題是源于熱損傷。因此,對無鉛焊點(diǎn)的熱損傷研究成為熱點(diǎn)問題。怎樣檢測無鉛焊點(diǎn)熱損傷是研究者面對的重要課題。
　　 本文是在熱載荷條件下基于電測理論及方法的單個(gè)無鉛焊點(diǎn)熱損傷的基礎(chǔ)研究。主要工作及結(jié)論如下:1、無鉛焊點(diǎn)的熱損傷理論研究
　　 本文描述單個(gè)無鉛焊點(diǎn)熱損

2、傷電測方法的概念,并分析電測方法的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性?；趶椝苄詿釕?yīng)力理論,結(jié)合無鉛焊點(diǎn)的熱載荷實(shí)際情況,分析了熱對焊點(diǎn)的影響、焊點(diǎn)熱損傷和失效的特征,針對焊點(diǎn)熱損傷不同機(jī)理分析討論了熱蠕變和熱疲勞損傷,將其受損截面和孔洞等效為有效損傷承載截面面積,基于能量守恒揭示了無鉛焊點(diǎn)的損傷變量與剪切應(yīng)變間的關(guān)系,為討論損傷變量與電阻應(yīng)變奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 從金屬導(dǎo)體電阻的本質(zhì)出發(fā),結(jié)合固體裂紋等效理論揭示了電阻應(yīng)變與裂紋擴(kuò)展的定量關(guān)系。

3、基于“有效承載橫截面面積”模型和損傷力學(xué)導(dǎo)出無鉛焊點(diǎn)損傷變量與電阻應(yīng)變的關(guān)系,并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明,不同載荷下的焊點(diǎn)的電阻應(yīng)變特性反映了相應(yīng)損傷變量的變化規(guī)律。通過損傷變量建立了焊點(diǎn)的電阻應(yīng)變與焊點(diǎn)的熱蠕變和熱疲勞的塑性應(yīng)變的定量關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)在線電阻測量無鉛焊點(diǎn)熱損傷的方法提供理論依據(jù)。2、無鉛焊點(diǎn)特性測試系統(tǒng)研制
　　 以無鉛焊點(diǎn)電阻及電阻應(yīng)變與焊點(diǎn)損傷變量的關(guān)系為理論依據(jù),采用電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和電子測量技術(shù),研

4、制了通過監(jiān)測無鉛焊點(diǎn)電阻描述其損傷過程的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機(jī)(PC)、下位機(jī)(單片機(jī))、控制和測試裝置的軟硬件、測試平臺等組成。為了保證測試系統(tǒng)的精度采取了如下的措施:選擇精密元器件,應(yīng)用多數(shù)據(jù)采集平均后計(jì)數(shù),改四探針法為五點(diǎn)差分法等,使得測量電阻精度達(dá)到了微歐級。將無鉛焊點(diǎn)在熱載荷下的溫度、時(shí)間、電阻、電阻應(yīng)變等參量,以曲線的方式顯示在PC機(jī)的界面上,它們反映了焊點(diǎn)的熱損傷狀態(tài)和失效過程。自制溫度控制儀,采用Pt100鉑電阻作為測

5、溫元件,測量分辨率達(dá)到0.125℃;實(shí)現(xiàn)了電加熱爐功率的調(diào)節(jié),并辨識系統(tǒng)工作模式,自動記錄循環(huán)次數(shù)。3、電阻應(yīng)變描述的無鉛焊點(diǎn)熱損傷實(shí)驗(yàn)研究
　　 在無鉛焊點(diǎn)的恒溫剪切蠕變實(shí)驗(yàn)中,室溫(25℃)和高溫(125℃)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩者的電阻應(yīng)變特性曲線均可分為減速應(yīng)變區(qū)域、線性(穩(wěn)定)應(yīng)變區(qū)域和加速應(yīng)變區(qū)域,分別對應(yīng)金屬蠕變損傷的第一階段、第二階段與第三階段;電阻應(yīng)變反映了焊點(diǎn)的熱損傷,只需測試焊點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)少數(shù)幾個(gè)時(shí)刻的電阻應(yīng)變

6、,便判定服役焊點(diǎn)所處的損傷程度;兩者不同之處在于高溫時(shí)的電阻應(yīng)變大于室溫時(shí)的電阻應(yīng)變,表示高溫時(shí)焊點(diǎn)的損傷大于室溫時(shí)的損傷,并且使用壽命較室溫時(shí)短。
　　 在無鉛焊點(diǎn)的熱疲勞實(shí)驗(yàn)中,溫度范圍從40℃到125℃,熱循環(huán)加剪切應(yīng)力蠕變疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電阻應(yīng)變變化過程反映焊點(diǎn)的熱疲勞損傷過程;在循環(huán)溫度范圍內(nèi),高、低溫端的不可逆電阻應(yīng)變趨勢相似,也有減速變化區(qū)域、線性(穩(wěn)定)變化區(qū)域和加速變化區(qū)域,很好地反映了熱蠕變的變化特性,但高

7、溫的不可逆損傷略強(qiáng)于低溫的不可逆損傷;對焊點(diǎn)在循環(huán)的斷裂前一兩個(gè)循環(huán)周期研究,發(fā)現(xiàn)失效均發(fā)生在循環(huán)上升階段。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論關(guān)系吻合,證明此方法適合作為無鉛焊點(diǎn)可靠性檢測方法。4、基于電阻應(yīng)變的無鉛焊點(diǎn)熱損傷與失效檢測應(yīng)用研究
　　 應(yīng)用電測無鉛焊點(diǎn)損傷理論,探討了無鉛焊點(diǎn)厚度的尺寸效應(yīng),溫度與電阻應(yīng)變遲滯回線和焊點(diǎn)失效判據(jù),結(jié)論如下:
　　 (1)無鉛焊點(diǎn)厚度的尺寸效應(yīng)
　　 在剪切蠕變條件下,通

8、過試驗(yàn)和有限元仿真的方法,對橫截面積為1mm2的不同厚度的矩形焊點(diǎn)(Sn3.5Ag)研究。結(jié)果表明,當(dāng)焊點(diǎn)厚度為0.25mm時(shí),不僅電阻應(yīng)變最小,而且蠕變性能最優(yōu)。該無鉛焊點(diǎn)的厚度尺寸效應(yīng),為其制作工藝提供了理論依據(jù)。
　　 (2)溫度與電阻應(yīng)變遲滯回線
　　 在無鉛焊點(diǎn)的熱蠕變疲勞中,通過分析和研究溫度與電阻應(yīng)變的關(guān)系表明:它們具有類似于材料力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線的特性,該遲滯回線反映無鉛焊點(diǎn)的損傷變化和積累程度,可逆

9、電阻應(yīng)變范圍對應(yīng)于可逆損傷變化,不可逆電阻應(yīng)變范圍對應(yīng)于不可逆損傷積累,焊點(diǎn)的失效取決于不可逆損傷積累程度。溫度與電阻應(yīng)變的遲滯回線為無鉛焊點(diǎn)熱損傷的檢測提供了新的檢測方法。
　　 (3)無鉛焊點(diǎn)的失效判據(jù)
　　 對大量無鉛焊點(diǎn)熱載荷下的電阻應(yīng)變特性進(jìn)行了分析研究,結(jié)果顯示,每條電阻應(yīng)變特性曲線均存在線性區(qū)域與加速區(qū)域的臨界點(diǎn),該臨界點(diǎn)與熱損傷變量的臨界點(diǎn)對應(yīng),試驗(yàn)測得的臨界電阻應(yīng)變是0.05左右,過臨界點(diǎn)之后焊點(diǎn)熱損傷