纳米压入法研究无铅焊料应变率敏感性

０．７Ｃｕ及 Ｓｎ－３．５Ａｇ无铅 焊 料 的 室 温 应 变 率 敏 感 性 进
行研究。相同压 深 下，压 入 载 荷 随 着 加 载 应 变 率 的 提
高而增大；３ 种 焊 料 的 接 触 刚 度 均 随 压 深 近 似 线 性 增
加 ，不 同 应 变 率 下 弹 性 模 量 基 本 不 变 ；硬 度 随 着 应 变 率
３ 结 果 与 讨 论
３．１ 载 荷 －位 移 曲 线 图 １ 为 不 同 加 载 应 变 率 （Ｐ·／Ｐ）下 Ｓｎ－３．０Ａｇ－
０．５Ｃｕ、Ｓｎ－０．７Ｃｕ、Ｓｎ－３．５Ａｇ 的 载 荷－位 移 曲 线。 可 以 看出 当 载 荷 相 同 时，应 变 率 越 小，压 入 产 生 的 位 移 越 大，即较低的应变率产生了较大的压入深度，材 料表现 出明显的应变率 敏 感 性。 对 于 粘 塑 性 软 焊 料［１５］，应 变 率 较 低 时 ，达 到 相 同 的 载 荷 所 需 时 间 较 大 ，压 入 过 程 中 粘 性 变 形 充 分 ，产 生 了 较 大 的 压 入 位 移 。
关 键 词 ： 无 铅 焊 料 ；应 变 率 敏 感 性 ；纳 米 压 入 ；力３
文 献 标 识 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１５．０１．００９
１ 引 言
Ｓｎ－Ｐｂ焊料以其较低的回 流 焊 接 温 度 和 优 异 的 焊 接性能在微电 子 互 连 中 起 到 了 至 关 重 要 的 作 用，但 长 期使用会给人 类 的 生 活 环 境 和 生 命 安 全 造 成 危 害，近 年来关于新型无铅焊料的开发及对其综合性能的研究 方兴未艾 。 ［１－２］ 无铅焊料为微电 子 组 件 的 互 连 提 供 电 、 热及机械连接，在 提 供 电 气 连 接 的 同 时 也 保 证 了 各 组 件的机械固定，因 此 对 于 无 铅 焊 料 相 关 力 学 性 能 的 研 究就显得尤为重要。
由式（１）－（６）即 可 得 到 材 料 的 硬 度 和 弹 性 模 量 随
压入深度的连续变化值。
本 文 采 用 美 国 Ａｇｉｌｅｎｔ 公 司 的 Ｎａｎｏ－Ｉｎｄｅｎｔｅｒ
Ｇ２００测试系 统 进 行 纳 米 压 入 测 试，其 载 荷 分 辨 率 为
５０ｎＮ，位移分辨率为 ０．０１ｎｍ。 采用 Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ 三 棱
目前使 用 的 无 铅 钎 料 主 要 集 中 在 Ｓｎ－Ｃｕ、Ｓｎ－Ａｇ
和 Ｓｎ－Ｚｎ二元合金系 及 Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ三 元 合 金 系 或 以 此 为基础的更多 元 合 金 钎 料［５］，关 于 其 断 裂 和 变 形 行 为 及其温度敏感性的研究已有 相 关 报 道［６－７］；然 而 对 于 粘 塑性软焊料，应 变 率 对 其 力 学 性 能 的 影 响 是 不 容 忽 视 的。本文基于恒 加 载 速 率／载 荷 法 获 得 恒 定 的 压 入 应 变速率（ｈ·／ｈ＝Ｃ），测试了不同应变率 下 Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５ Ｃｕ、Ｓｎ－０．７Ｃｕ 及 Ｓｎ－３．５Ａｇ 焊 料 的 力 学 性 能，通 过 纳 米压入测试对其应变率敏感性进行研究。
收 到 初 稿 日 期 ：２０１４－０５－０９
收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１４－０９－０５
通讯作者：树学峰，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｕｘｕｅｆｅｎｇ＠ｔｙｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
作 者 简 介 ：贾 春 楠 （１９８７－ ），女 ，山 东 济 宁 人 ，在 读 硕 士 ，师 承 树 学 峰 教 授 ，从 事 电 子 封 装 材 料 研 究 。
随着电子产品 的 微 型 化 和 多 功 能 化，采 用 传 统 方 法测试焊料的 力 学 性 能 既 耗 时 又 费 力；仪 器 化 纳 米 压 入仪的研制，为 研 究 微 小 焊 点 的 力 学 性 能 提 供 了 便 捷 高效的方法。在此基础上开发的连续刚度测量技术， 可以在单次测试中得到弹性模量和硬度随压入深度的 连 续 变 化 值 ；对 于 某 些 粘 弹 塑 性 材 料 ，测 量 结 果 更 加 准 确有效［３］。Ｌｕｃａｓ和 Ｏｌｉｖｅｒ［４］提出的恒加载速 率／载 荷 法（Ｐ·／Ｐ＝Ｃ），通过指数控制加载速率进而控制压入 应 变率 为 恒 定 值 （ｈ·／ｈ＝Ｃ），并 利 用 Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ 三 棱 锥 形 压头测试了高纯Ｉｎ的蠕变速率敏感指数 ｍ，所得实验 结果和单轴拉 伸 实 验 能 够 很 好 的 吻 合，加 载 过 程 中 保 持 特 定 的 应 变 率 ，得 到 高 纯Ｉｎ 的 硬 度 值 是 恒 定 的 。
２πｆ 为简 谐 振 动 角 频 率，Ｋｓ、Ｋｆ 和 ｍ 分 别 为 弹 簧 常
数、框 架 刚 度 和 压 杆 质 量，Ｓ 为 所 求 接 触 刚 度。 对 于
Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ 三 棱 锥 金 刚 石 压 头 ，压 入 过 程 中 的 接 触 深 度
为
＊ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１１７２１９５）；山西省研究生优秀创新资助项目（２０１３３０３８）
馈电路控制简谐力产生交变位移，振幅始终保持 在１～
２ｎｍ，基于所建立的 一 维 简 谐 振 子 模 型 得 到 接 触 刚 度
如 下［１１］
Ｓ
＝
熿
１
燀Ｆｈａａｍｍｐｐｃｏｓφ－ （Ｋｓ
－
－ ｍω２）
１燄－１ Ｋｆ
燅
（１）
式中，Ｆａｍｐ和ｈａｍｐ分别为简谐力和相应简谐位 移 的
振幅，φ 为 简 谐 位 移 滞 后 于 简 谐 激 振 力 的 相 位 角，ω＝
Ｐｅｔｈｉｃａ、Ｏｌｉｖｅｒ和 Ｐｈａｒｒ［９－１０］等发展 了 纳 米 压 入 测 试 方
法 ，并 提 出 连 续 刚 度 测 量 原 理 （ＣＳＭ）；该 方 法 是 将 相 对
较高频率（４５ Ｈｚ）的 简 谐 力 叠 加 在 准 静 态 的 加 载 信 号
上，测量压针的简 谐 响 应；在 整 个 压 入 过 程 中，通 过 反
Ｔａｂｌｅ １ Ｌｉｎｅａｒ ｆｉｔｔｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅｓ ｆｏｒ ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＣｕ，ＳｎＡｇ ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒｓ
（Ｐ·／Ｐ）／ｓ－１ ＳｎＡｇＣｕ／Ｎ·ｍ－１·ｎｍ－１
曲线进行线性拟 合，在 一 定 应 变 率 下 焊 料 的 接 触 刚 度
在连续刚度测量 法 （ＣＳＭ）中，要 连 续 得 到 加 载 过 与压入深度近似呈线 性 关 系，这 与 谭 孟 曦［１６］的 理 论 推
程中的硬度和弹 性 模 量 值，由 式 （１）－（６）可 知，必 须 要 导结果一致。
首先知道接触 刚 度 随 位 移 的 变 化；如 图 ２ 所 示 对 Ｓ－ｈ
图２ 不同加载应变率下 ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ的Ｓ－ｈ 曲线 Ｆｉｇ ２Ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｔａｉｎ ｒａｔｅｓ ｆｏｒ ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＣｕ，ＳｎＡｇ ｌｅａｄ－
ｆｒｅｅ ｓｏｌｄｅｒｓ
０１０４６
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１５）０１－０１０４６－０５
２０１５ 年 第 １ 期 （４６）卷
纳米压入法研究无铅焊料应变率敏感性＊
贾春楠，肖革胜，袁国政，李志刚，树学峰
（太原理工大学 应用力学与生物医学工程研究所，太原 ０３００２４）
摘 要： 采 用 纳 米 压 入 法 对 Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ、Ｓｎ－
ＳｎＣｕ／Ｎ·ｍ－１·ｎｍ－１
ＳｎＡｇ／Ｎ·ｍ－１·ｎｍ－１
贾春楠 等：纳米压入法研究无铅焊料应变率敏感性
ｈｃ
＝ｈ－０．７５
Ｐ Ｓ
（２）
其 中，ｈ 为 压 入 深 度，Ｐ 为 压 头 载 荷，Ｓ 为 接 触 刚
度。对于理想 Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头，接触面积为
Ａｃ ＝２４．５６ｈｃ２
（３）
压入硬度定义为
Ｈ
＝
Ｐ Ａｃ
（４）
根据 Ｏｌｉｖｅｒ－Ｐｈａｒｒ方法，弹性模量可从下式获得
的 增 加 而 增 大 ，表 明 了 无 铅 焊 料 的 塑 性 应 变 率 强 化 性 。
保载阶段蠕变 位 移 随 加 载 段 应 变 率 的 增 加 而 增 大，蠕
变应变率先急剧下降然后趋于稳定。通过系统研究应
变率对３种常 用 无 铅 焊 料 力 学 性 能 的 影 响，为 评 价 无
铅焊点的服役可靠性提供参考。
定 ，待 固 化 后 将 所 得 块 体 试 样 打 磨 、由 粗 到 细 抛 光 得 到
光滑焊料表面以进行纳米压入测试。
２．２ 纳 米 压 入 测 试
Ｍｅｙｅｒ定义硬度为压入过程中载荷与相应接 触 投 影面积的比值［８］，其 值 与 材 料 的 屈 服 应 力 和 加 工 硬 化
能 力 有 关；弹 性 模 量 反 应 材 料 抵 抗 弹 性 变 形 的 能 力。
１ Ｅｒ
＝
１－υ２ Ｅ
＋１－Ｅυｉｉ２
（５）
其中，Ｅ、υ、Ｅｉ、υｉ 分别为被测 材 料 及 压 头 的 弹 性 模
量和泊松比；折 合 模 量 Ｅｒ 与 接 触 刚 度、接 触 面 积 之 间
的关系为
Ｅｒ
＝
槡π
２β
Ｓ
槡Ａ
（６）
式 中，β 为 压 头 几 何 形 状 相 关 的 常 数 （Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ 压 头 的β＝１．０３４［１１］）。
２ 实 验
２．１ 试 样 准 备
采用３种 代 表 性 的 低 熔 点 无 铅 焊 料 合 金 Ｓｎ－３．０
Ａｇ－０．５Ｃｕ、Ｓｎ－０．７Ｃｕ 及 Ｓｎ－３．５Ａｇ 进 行 实 验，焊 料 球
直径均为 ０．７６ｍｍ；实验前将环氧树脂和凝 固 剂（聚