无铅焊料的疲劳特性

无铅焊料的疲劳特性 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998

无铅焊料的疲劳特性

焊料的等温疲劳试验

各类电子产品是在温度不断地变化状态下使用的，由lC 封装、印制基板、各种各样元件工作时的热涨差所引起的变动位移，其应力通常都会作用于最薄弱环节― 焊料接合部，造成热疲劳损伤。因此，进行高可靠的焊料接合部设计，首先要理解无铅焊料的等温疲劳特性。

焊料接合部的结构在硅芯片和陶瓷基板等刚性比较高的场合，例BGA ( ball grid array 等）焊球的应力松驰速度快，给接合部的最大应变是高温时的保持时间及应变控制的往返变形负荷。对QFP、PLCC等使用场合，焊料的应力松驰速度比前者慢，到达高温时是暂时性的间断变形，属应变控制与荷载控制混合形态下的往返变形负荷，然而，不管哪一种场合，应变控制的疲劳是主要的，在实验室进行上述疲劳试验时，应变控制方式是可实现的。

试件经受的负荷样式，BGA类主要是剪切应变负荷，QFP、SOP类不仅是剪切应变、是与拉伸压缩棍在一起的复合模式。在多轴应力/应变条件下，一般采用VonMises 等效应力和等效应变。对于单轴拉伸模式的等价应力/应变，可利用有限单元法等的模拟方式求得接合部疲劳破坏等效应变，用拉伸压缩模式由焊料的疲劳试验结果，来推算其疲劳寿命。

由于焊料接合部存在脆性金属化合物状的接合界面，需通过重迭接合评价反映接合界面的影响，S 焊料的拉伸疲劳试验结果和Cu 铜接合体的剪切疲劳试验结果比较由图表示（组成单位mass%、下同）图上纵坐标根据下式求得VonMises 等效应变，横坐标为疲劳寿命。由图看到，拉伸模式的疲劳试验结果与剪切模式疲劳试验结果差不多在同一条直线上，这意味着，采用VonMises 的等效应变方式，可对焊料拉伸模式疲劳结果和接合体剪切疲劳结果进行直接比较。下面说明的是利用应变控制方式对Sn-Ag 系无铅焊料铜接合体的等温疲劳试验结果。

Sn-Ag 系无铅焊料的疲劳寿命范围影响。

图是和无铅焊料、图是和三元系无铅焊料利用拉伸模式的疲劳寿命及塑性应变范围的影响表示，图上纵坐标是塑性应变范围的对数，横坐标是负载降低到50%时往返数的对数、这里控制波形为对称三角波，应变速度是不含蠕变影响的5×10^(-3)*5^(-l)。

一般10^4周期以下的破坏称为低循环疲劳，由Coffin Manson法则成立的下式可以确认。

△εp*Nf^a=C----------------------------------(2)

上式△εp印塑性应变范围，N为疲劳寿命，a、c 为材料常数。

不同合金的等温疲劳特性略有差别，有良好的疲劳特性，其寿命是现行Sn-37Pb的10倍左右，在添加Bi形成三元合金后，焊料的疲劳寿命随Bi的浓度增加而降低，添加比率2%时约1 / 10 , 5 %Bi 约1 / 100、10 % Bi约1 / 200。添加其他元素例h、Cu、Zn等对疲劳寿命不会产生大的影响，通常比率在2％时，可与具同样优良的疲劳特性。这种倾向可由图表示，与拉伸断裂伸长性的减少很相似，拉伸断裂伸长性 D = In [100 / ( 100-RA )] ，RA为断面减少百分率，总之添加元素对低循环疲劳寿命的影响、由各种合金的断裂伸长性（D）来支配。图表示的是各合金的疲劳寿命（断裂伸长性标准为ZD ）存在factor 三种程度的偏差，也可用一条直线来表示，说明系无铅焊料的低循环疲劳寿命，不考虑合金组成所支配的断裂伸长性，还可用 Coffin-Manson 来给予预测。

图是铜接合体的剪切疲劳寿命对塑性应变范围的影响，纵坐标是剪切塑性应变范围的对数，横坐标是载荷降低至50%时的往返循环数对数，控制波形为对称三角波、应变速度5×10^(-3)*5^(-l)。各接合体的疲劳寿命及塑性应变范围的影响与原来的焊料结果相同，随着Bi 浓度的增加而降低疲劳寿命。接合体在接合界面形成脆性Cu6Sn5 金属间化合物层，这个化合物层将影响到焊料的疲劳特性。

与无铅焊料剪切疲劳试验后的接合体断面照片由图5. 7 展示，从接合体断面Cu6Sn5观察发现，疲劳后的开裂在金属间化合物层内部展开，显示了与焊料的强度关系。在含Bi 较多、因焊料层强度高，焊料层负荷应变松弛前的脆性

金属化合物层是发生破坏的起因，Bi 伸长性的降低，不会使焊料的疲劳特性降低，是由于强度显着升高而导致接合界面的破坏，从而降低了接合体的疲劳寿命，因此，Bi 添加量的多少是需要注意的。

无铅焊料的疲劳寿命及应变速度对保持时间的影响

在高温（大于）应变速度慢的场合，即最大应变时长时间保持状态会发生应力松弛和蠕变，这时，蠕变和疲劳损伤的重叠，将形成疲劳开裂与蠕变空穴的混合破坏模式。作为蠕变疲劳相互作用的基本研究方法，对应变控制疲劳频率和保持时间的影响、这里以钢铁材料（黑色金属）作为研究中心。经研究发现，采用钢铁材料与焊料经过基本的高温疲劳，试验后的结果基本相同。图是

在总应变范围1% , 疲劳寿命及应变速度的影响，5×10^(-3)*5^(-l)以上的应变速度区域，疲劳寿命是固定的，在此以下会随其应变速度疲劳寿命逐步减少，这个倾向在Sn-Pb 系提供的报告中基本一致。应变速度5×10^(-2)*5^(-l)和1×10^(-3)*5^(-l)试验后的断面组织由图表示，5×10^(-2)*5^(-l)时开裂的展开出现在结晶晶间和晶粒内，在应变速度比较快的场合可能会成为晶间破坏和晶粒内破坏的混合模式。在应变速度为1×10^(-3)*5^(-l)空穴所生存的晶间，其破坏模式也可确定为疲劳开裂和蠕变空穴的混合形式。

上述说明，无铅焊料的应变速度在1×10^(-3)*5^(-l)以下时，将由单纯疲劳·蠕变形成重叠型损伤机构，会使寿命降低。

图是在总应变范围1%、合金的疲劳寿命及拉伸保持时间的影响示意，可看出，在最大应变时经设定的保持时间不论哪种合金的疲劳寿命都显着降低，但保持时间经120S后寿命降低的趋势基本饱和。说明在保持时间中是产生蠕变应变的原因，保持时间越长蠕变应力越大，当蠕变空穴增加则疲劳寿命减少，这个疲劳过程与确认Sn-Pb 系焊料的疲劳寿命基本是相同的。但是，从设定的