锡焊接点拉伸的力学性能研究

锡焊接点拉伸的力学性能研究

（1） 研究目的是“锡焊点接头在轴向拉伸的力学性能”，这个力学性能只是一个最大拉应

力？（改动在最后）

（2） 实验结果，你只给出平均值，标准差是多少？（补在了实验数据表后面）

一、

研究对象

锡焊接头试件 二、 研究目的

研究电子封装中锡焊点接头在轴向拉伸的力学性能

三、 实验方法

1、试验原理

在电子封装中芯片间铜的连接通过锡焊料来实现，在芯片加工过程中，铜与锡之间主要受到拉应力的影响，焊料与铜间的连接效果，对芯片的性能有很大的影响。

本实验模仿铜与锡间的连接，按如图所示模型制成锡焊接头试件，将试件装在超高精度动静态微力试验机上，受到缓慢增加的拉力作用，对应着每一个拉力F ，试件标距0l 有一个伸长量l Λ，因此可以得出F 与l Λ的关系曲线。由于铜的拉伸强度远大于锡焊点的拉伸强度，当试件在焊接接头处发生断裂过程中，即可得到焊接点所能承受的最大载荷，输入锡焊点的尺寸，即可得到焊接接头的最大拉伸强度。

实验前，试件的总长l 0=30mm ，Solder 部分：长0.5mm 。拉伸后，试件总伸长量 ，1l ∆2l ∆3

l ∆l ∆

Solder 部分伸长 ，铜片窄平行段伸长 ，铜片长平行段伸长 ，其中 。

以拉伸应力为纵坐标，位移为横坐标，做出关系曲线，即应力—位移图。

2、实验方法

为了研究焊锡接点的力学性能，需制作Sn3.0Ag0.5Cu 焊料与铜片的焊锡接头试样，为了对比试验结果，共制作6个式样。先用小螺栓将定位卡具固定在焊接底座上， 然后将焊接底座放置在楔形托台上，把试样插入定位卡具方形槽内，试样凭借自身重力会与定位卡具较低的面紧挨，此时扭紧紧固螺栓即可固定住试样， 撤掉楔形托台后， 在试样接口涂上助焊剂， 放上焊料片，控制两边铜片和焊料片的位置，使之完全对中后， 然后放入回流焊炉中， 回流的最高温度为250度。

将k 型热电偶固定在卡具上测量并记录温度变化，为了保证所制作的焊接试样工艺一致，设置相同的回流曲线，总的回流时间为670s 。

回流焊炉

回流曲线

等设置的回流曲线走完后，打开回流炉，取出焊接卡具至阳台上让其自然冷却。待试样冷却后，拧开紧固螺栓， 取出焊接完的试样。 焊接完的试样如下图所示：

焊锡接头试样

当焊料冷却后接头处便会残留多余的焊料，为了不对拉伸结果造成影响，需要将接头处的多余焊料用水砂纸打磨平整。除去接头表面多余的焊料后，再打磨掉接头窄边处多余123

l l l l ∆=∆+∆+∆

的焊料。

本实验所加工的试样为Sn3.0Ag0.5Cu焊料与Cu基板的焊接试样，经估算得最大载荷值不超过1KN，故选用载荷量程为2KN的传感器。实验过程中，夹具需夹住Cu基板，为了防止实验过程中Cu片打滑对实验结果产生，故实验中选取气动夹具，夹具的压力约为4MPa。

试件用instron1948型微拉伸试验机进行拉伸，拉伸速度为0.6mm/min，即0.01mm/s。最后得到的最大拉伸强度除以接头处的横截面积，即得到接头在准静态条件下的拉伸强度。

拉伸试验

四、实验结果

由试验机读取数据，并处理。

表1、试件所受的最大载荷

拉伸过程中，试验机得到的为载荷与试件总的位移间的关系，向试验机中输入焊点接头处初始的尺寸，即窄平行段和Solder部分的宽为4.0mm厚为1.2mm，得到焊接头处的最大拉伸应力与位移的曲线。

应力-位移关系

经过统计拉伸试件的断裂面为铜与锡的连接界面，数据经处理后得到试件所受的最大拉应力为52.19610MPa，受到的最大载荷为235.88094。

五、讨论

上图应力—位移关系开始呈现线性增长是由于此时拉伸的试样处于弹性的阶段，线性阶段后，应力与位移曲线不为直线，应力应变不再成正比，应力在图上三角标示处达到最大值，锡焊点处出现界面开裂现象，随着裂纹的扩展，使试件继续变形所需载荷减小，应力与位移曲线迅速下降，最后，锡焊点接头部位，铜与锡界面发生分离，试件断裂，实验结束。

六、结论

电子封装中，材料所受到的最大载荷为其设计的基本标准，为用有限元软件模拟芯片设计，制造，加工等提供依据。

根据试验，锡焊点接头试件的力学性能大致如下：试件允许收到的最大拉应力为52.19610MPa，允许承受到的最大载荷为235.88094N。由于在锡焊点接头部位生成的铜锡混合层（IMC）脆性较大，故断裂发生在铜与锡界面处。