焊点疲劳强度研讨

焊点疲劳强度研讨

一．疲劳强度

电子元器件的焊点必须能经受长时间的微小振动和电路发散的热量。随着电子产品元器件安装密度的增加，电路的发热量增加，经常会发生焊接处的电气特性劣化，机械强度下降或出现断裂等现象。材料在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。疲劳是一种低应力破坏。

二．提高疲劳强度性能的方法

2．1提高焊点的可靠性

提高焊点可靠性的最好方法有三个：提高焊点合金的耐用性；减少元件与PCB之间热膨胀系数（CTE）的失配；尽可能按照实际的柔软性来生产元件，向焊点提供更大的应变；

2．1．1提高焊点合金的耐用性

2．1．1．1选择合适的焊膏

2．1．1 润湿性能

对于焊料来说，能否与基板形成较好的浸润，是能否顺利地完成焊接的关键。如果一种

合金不能浸润基板材料，则会因浸润不良而在界面上产生空隙，易使应力集中而在焊接

处发生开裂。

焊料的润湿性主要的指标浸润角和铺展率。从现象上看，任何物体都有减少其自身表面

能的倾向。因此液体尽量收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺展开来覆盖其表面。

如果液体滴在固体表面，则会形成图一所示的情况。

图二和图三分别表示浸润不良和良好的现象。

θ为浸润角，显然浸润角越小，液态焊料越容易铺展，表示焊料对基板的润湿性能越好。

a. 当θ<900，称为润湿，B角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开；

b. 当θ>90时称为不润湿，B角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，

越容易收缩成接近圆球的形状;

c. 当θ=00或180“时，则分别称为完全润湿和完全不润湿。

通常电子工业焊接时要求焊料的润湿角θ<200。

影响焊料润湿性能主要有:焊料和基板的材料组分、焊接温度、金属表面氧化物、环境介质、基板表面状况等。

IPC－SPVC用润湿力天平来测量并用润湿时间以及最大润湿力来表示的方法评估了不同组成的 SAC 合金的润湿性，结果发现其中（零交时间与最大润湿力）并无差异，见图4。各候选合金与锡铅共晶合金的润湿性比较见图5。

图 4 不同组成的SAC的润湿性评估结果

结论：同样条件下其润湿能力按如下顺序增加：SnCu

2．1．2焊料的物理性能比较

影响电子制造工艺及其产品可靠性的焊料物理性能主要包括：熔点温度（或液相线与

固相线）、表面张力、密度、电阻率、热导率以及热膨胀系数，详见表1。

表1 部份无铅焊料的物理性能

性能参数Sn3.5Ag Sn0.7Cu SnAgCu Sn63Pb37 熔点（℃）221 227 217 183

表面张力

460（260℃,air） 491(277℃,air) 510

(Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb) 380(260℃,air)

431(277℃,air)

461(277℃,N

2)

417(233℃,air)

493(271℃, N

2) 464(233℃, N

2

)

密度（g/cm3）7.5 7.3 7.5 8.4 电阻率（μΩcm）10.8 10~15 13 15

热导率（W/cm.℃） 0.33(85℃) — 0.35(85℃) 0.5（30~85℃）热膨胀系数

（CTE,ppm/K）

30 19.3 21.5 23.3

结论：

a.在熔点方面，低或越接近铅锡共晶焊料将越有利，可以降低高温对元器件、PCB的损

伤以及减少能耗。

b.表面张力则会影响焊料的润湿性能，如2．1．1所述。

c.电阻率越小，造成传输信号的损失越小。SnAg合金表现最好。

d.热导率越大焊点的散热越快，可以改善器件的可靠性。

e.CTE将会拉大对铜焊盘的差距，显然对疲劳寿命影响会增大。

2．1．3焊料的机械性能比较

材料性能中与焊点性能密切相关的主要包括抗拉强度、剪切强度与延展率。如下表2。

表2 无铅材料的机械性能

性能参数Sn3.5Ag Sn0.7Cu SnAgCu Sn63Pb37 抗拉强度（MPa）35 23 48.5

46

剪切强度（MPa）27 20~23 — 23

1mm/min.reflow 焊点（N/mm2.20℃）

焊点

（N/mm2.100℃）39 28.5 —

34.5(60/40) 27 23 27 23

17 16 17 14

杨氏模量（GPa）26~56 / / 15.7~35

蠕变强度N/mm2

20℃13.7 8.6 13 8.0 100℃ 5 2.1 5 1.8

延展率（%）39 45 36.5 31 结论：

a.抗拉强度、剪切强度主要影响焊点的强度以及PCBA互连的可靠性。

b.延展率则决定焊材在使用或加工时的适应性，各焊料的延展率均无明显差异，都可以

满足制造与使用的要求。

2．1．4焊料合金成份选择

焊点的寿命主要与蠕变和疲劳的相互作用和/或者金属互化物的生长有关，同时还要充分考虑电子产品在实际应用环境下微结构的变化。实际应用环境可能会促进以蠕变为主的疲劳造成损坏，或者以疲劳为主的蠕变造成损坏。造成焊点损坏的这类原因直接焊点的基本构成和微结构的变化有关。

为了说明各种成份的普通无铅焊料的相对性能，图6列出了它们的应力-应变曲线（25℃、6.2×104−/秒）。

图6 无铅合金的应力—应变曲线