无铅焊料的热疲劳特性

无铅焊料的热疲劳特性

对无铅焊料进行热疲劳研究是最近才开始的事情，至今还没有构成完整的寿命预测模型，美国NCMS (NationalCenterforManufacturingSciences）的Lead Free solder project 曾对无铅焊料的热疲劳特性作了大量的研究。

作为焊料接合部热疲劳特性的评价方法，有通过视力对疲劳开裂的评价方法、利用电阻值变化的计测方法、或通过剥离试验对接合部剩余强度进行测定的方法等，对有框架引线类的QFP、PLCC等大多采用剥离试验求出接合部剩余强度再进行评价的方法。

图6.1-图6.4是将QFP 通过Sn-3.5Ag-x系无铅焊料组装于基板后，经热循环测试的器件与基板接合强度变化，及各个循环数的接合强度在初始强度下的减少关系（表示单位mass %）采用的QFP 试件由图6.5 表示（引线间距0.65mm、线数100）。

QFP 的引线电镀了S n-20Pb ，热循环制订二种方式，-30℃-130℃温度范围（△T-160K ）和。0℃-100 ℃温度范围（△T = l00K )，升降速度1.78K/min，保持时间10min，采用气相式温度循环试验机。接合强度使用万能精密拉伸试验机，用0.5mm / min 的十字型滑块速度将引线框对着Cu 焊区垂直方向进行拉伸，在试验次数到30 次后，再用威伯尔曲线图计算出平均拉伸强度。

各焊料接合部的初始强度，除去合金Alloy H ( Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合强度都在其以上或同等。Sn-3.5Ag在添加Bi 后，其接合强度有上升的趋势，在2%时其强度达到峰值，其它场合强度都表示了降低趋势，Alloy H 合金所显示的初始强度与其他合金相比是最低的。

在添加Cu 的场合，接合强度同样显示上升，到1%时，比Sn-37Pb 、Sn-3.5Ag 有更好的接合强度。分析AT = 100 K 时各合金热循环和接合强度的关系，不难看出Sn-3.5Ag、添加Cu 后的接合强度下降趋势缓慢，而添加Bi 后，不管哪种合金都随着热循环数的增加接合强度明显下降，对添加Bi比较，Sn-3.5Ag 添加Cu、其强度下降非常少，即进入1200次循环后也不出现热疲劳损伤，具极优异的热疲劳抵抗性，而添加Bi 的合金焊料、其显示的接合强度，有的比Sn-37Pb还低。由此说明，在△T=100K 温度循环下，要保证无铅焊料具Sn-37Pb 以上的热疲劳抵抗性，Bi 添加量的界限为2%。

△T=160K 与△T=100K的比较，强度跌落的斜度较大，与添加Bi 的合金比较，Sn-3.5Ag 和添加Cu 的合金热疲劳特性良好、强度下降系数与△T=100K相同。Sn-3.5Ag的热疲劳抵抗性最好，在1200次循环后强度还保持在初始强度的80%添加Bi的合金强度降低与其浓度有关、在1200次循环后其强度为初始强度的20%程度。添加Cu的合金，明显地受到热疲劳损伤，1200次循环后其强度大体上与Sn-37Pb相同。

热疲劳试验证明，在△T =160K时，特性超过目前Sn-37Pb所具热疲劳抵抗的合金有Sn-3.5Ag或添加1%Cu以下的合金焊料，从合金熔点的观点考虑，Bi的含量多对其合金性

能比较有利，从热疲劳抵抗观点考虑，Bi的含量应该加以限止．

6.2 QFP/焊料接合部的热疲劳损伤过程。

△T = 160K ，经200、400次循环后Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag-5Bi 焊料接合部的各种断面组织由图6.6 表示。对其断面组织观察，先用2400＃的金刚砂研磨观察面，再用1mm 的金刚石研磨膏进行抛光研磨，经光学显微镜分析、200 次循环后的Sn-3.5Ag 和Sn-3.5Ag-0.5Cu 焊料接合部看不到热疲劳的开裂，Sn-3.5Ag-5Bi 接合部，在焊料弯月面上部发现有裂纹，其裂纹已接近引线框。400 次循环后的观察分析、各个合金接合部均已发生裂纹，Sn-3.5Ag 的接合部裂纹的进展量较少、Sn-3.5Ag-0.5Cu 接合部裂纹已接近引线框，Sn-3.5Ag-5Bi 接合部的开裂就更严重。热疲劳开裂进展倾向，用拉伸的强度下降系数来反映或评价热疲劳损伤看来是妥当的。另外，开裂在弯月面上部发生后，会向内部发展，并进一步沿引线框进展的状态，这可称为热疲劳损伤过程的前半部（显示焊料疲劳特性），焊料/引线框界面的开裂进展状态可称作热疲劳损伤的后半部，暗示了QFP/焊料接合部的热疲劳特性。

热疲劳损伤过程的前半部与焊料的低循环疲劳特性相似，也意味着焊料疲劳特性是热疲劳特性的反映，特别是△T=100K场合，热疲劳试验结果与焊料疲劳特性间有着良好的相关关系。

Sn-3.5Ag 和Sn-3.5Ag-SBi 系合金接合部疲劳开裂的过程，经扫描型电子显微镜观察照片由图6.7 表示，(△T = l 60K )。图示说明，热疲劳开裂在弯月面上部发生后向弯月面内部进展并沿着引线框展开。Sn-3.5Ag接合部疲劳开裂状况。由图6.7（a）表示的那样会在生存界面的金属化合物层附近展开，Sn-3.5Ag-Cu的接合部损伤与上述的相同。S n-3.5Ag-5Bi 接合部的开裂进展情况在图上也可确认，该合金是Bi 含量多的高强度焊料，因焊料层强度高，受负荷的应变在焊料层不能充分吸收，开裂都发生在接合界面的金属化合物层内部，通常，开裂都从破坏韧性低的化合物层中向伸长性好的焊料一侧缓慢地进展。然而，含有Bi 的合金热疲劳抵抗低，造成焊料本身的疲劳抵抗性低，这是开裂过程容易通过的原因。另外，比引线框电镀中含有Pb或Bi-Pb，会在Sn-3.5Ag-5Bi焊料的接合界面附近偏析，开裂也会沿这个Pb层进展，有这种因素引起的热疲劳抵抗劣化，也是需要考虑的。

关于无铅焊料热疲劳特性目前的研究，只能在有关限止的条件下加以相互比较，今后进行正确寿命预测的详细研究是必要的。（利用模拟型热疲劳试验机）Sn-3.5Ag 和Sn-Ag-Cu 系都具优异的热疲劳特性。但是在当前使用时，由于组装基板和元件的表面处理还未做到无铅化，在生存接合界面的各种金属化合物层将影响到接合部的热疲劳特性，这是无铅焊料应用中的问题悬念。为今后得到可靠性良好的接合体，对各种因素的问题更要执行详细的基础研究。