加载速率对SAC系列焊点蠕变性能影响的研究

加载速率对SAC系列焊点蠕变性能影响的研究

【摘要】随着微电子封装技术的不断发展，焊点的

形式以及焊点所用无铅钎料的种类愈发繁多，从而使得对焊点力学性能的考察尤为重要。在所有对焊点性能的考察中抗蠕变性能是一项重要的考察项目，本篇文章通过实验和有限元数值模拟两种方法加载速率对焊点抗蠕变性能的影响。对

SAC系列钎料焊点进行纳米压痕实验及模拟，获得载荷-深度曲线、时间-深

度曲线，以及时间-蠕变速率曲线。结果表明：蠕变的速率并不是恒定

的，随着加载速率的增大，钎料的蠕变程度以及蠕变速率依次增大，并逐渐减小，最终趋近于零。

关键词】蠕变；纳米压痕；有限元模拟；焊点；加载

速率

0 序言电子器件服役时，相对于服役的环境温度，焊料自身熔

点较低，随着时间的延续，产生明显的焊点蠕变损伤。由于蠕变性能对于高温材料的使用至关重要，是影响焊点失效行

为及焊点可靠性的重要因素。因此，研究材料的蠕变性能是

微电子封装焊接研究中个重要的部分[1-3]。

但在实际测量中，对于微电子封装焊点这类本身体积很

小的测量件，由于钎料属于软金属，并且在加工钎焊后会产

生明显的尺寸效应，各种性能受尺寸的影响明显不同于传统焊接。所以对于微电子封装焊点只能通过纳米压痕蠕变来获得其蠕变性能参数。

在过往研究中，已有过研究剪切力大小、饱载时间、加

载方式对焊点蠕变性能的影响；而本文借助纳米压痕仪及先

进的有限元计算机模拟软件对SAC系列钎料（Sn-3Ag-0.5Cu

Sn-0.3Ag-0.7Cu Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La）焊点进行一次加载

卸载纳米压痕实验、模拟，得到载荷-深度曲线（load-depth

曲线），通过对实验数据的分析获得焊点蠕变程度及蠕变速率在加载速率影

响下的变化规律。

1纳米压痕及有限元分析理论

1.1纳米压痕法纳米压痕法主要通过测量加载、卸载过程中压头作用

力

与载荷深度得到的加卸载曲线来获得样品的硬度与弹性模量等力学性能参

数。进行纳米压痕测试时压头需垂直于样品被压面，等压头接触试样表面后

开始加载，直至加载到最大值后再缓慢卸载，实时检测压头压入位移随载荷的变化。测试的结果是一组载荷-位移曲线，通过对load-depth 曲线进行物理反解析计算能获得材料的弹性模量、硬度及蠕变应变速率敏感指数等力学性能参数。

般来说，纳米压痕仪用于测量硬度H和弹性模量E是两个钎料的基本力学参数，它们对于研究一种钎料的力学性

能起到了很重要的作用。纳米压痕法测量材料的H和E的基

本公式为：

式中：£取决于压头几何形状，三棱锥压头=3/4 ；hr 是由力-位移曲线中的最大应力点Fmax沿着卸载曲线开始向

引切线，与横坐标轴的交点。

本实验利用纳米压痕仪中队压痕位移深度的精确测量

及纳米压痕技术中所采用的计算公式（式3）来分析焊点在

受压后保载时间内发生的蠕变。

图1 为一条典型的纳米压痕测量出来的材料蠕变特征的

loading-depth 曲线，最大载荷处停留的一段时间内所产生的压入深度h 与时间t 的关系曲线反映了该材料的蠕变特征。

1.2有限元模拟技术有限元的基本原理是将求解未知场变量的连续介

质体

划分为有限个单元，单元用节点连接，每个单元内用插值函数表示场变量，插值函数由节点值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的插值函数集合成整体场变量的方程组，然后进行数值计算。数值分析在对理解材料在微纳米尺度或微纳米表层的力学性能的问题中体现出了突出的优势[4] 。

所以现在国内外对封装体系热应力与机械应力失效的

分析和预测，主要采用有限元分析方法[5-7] 。有限元方法已经成为求解实际工程问题的一种重要手段，并且逐步开发相

应的有限元软件，女n ANSYS MARC和ABAQUS等，具有处

理几何非线性、材料非线性和包括接触非线性在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力；可以处理各种结构的静力学、动力学（包括模态分析、瞬态响应分析、简谐响应分析、谐响应分析）问题、温度场分析以及其他多物理场耦合问题；同时拥有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术。

2研究步骤

2.1 实验

1）采用感应加热的方法，制备出Sn-3Ag-0.5Cu，

Sn-0.3Ag-0.7Cu Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La 三种钎料。

（2）采用装有丙三醇的电炉坩埚，加热到280 ° C制备直径为900卩m的BGA焊球。

3）将超声波清洗后的焊球在助焊剂的作用下回流焊

接在铜基板上，形成回流BGA焊点。

（4）将回流BGA焊点依次使用80#、600#、1200#、2000#

砂纸在低速金相抛光机上进行打磨及抛光，直至露出焊点，并保证焊点截面处无划痕，获得金相压痕试样如图

5）利用纳米压痕仪采用一次加载-卸载方式并配有多

种加载速率对三种钎料制成的焊点进行蠕变性能测试，来研究加载速率对焊点蠕变性能的影响。

2.2模拟

三维模型的自由度高于二维的一个数量级以上，这将导

致三维模型中积累的数据误差对模拟的结果存在很大的影 响[8] ；其次，三维中模拟结果可能与网格的划分存在很大相 关性 [9]。

为了简化分析，在模拟时压针被简化为顶角半角

a

=70.3°

的圆锥刚体，因此横截面面积和深度的比例与 Berkovich 压

和Vickers 压针是相同的。为了获得更好的模拟结果， 拟中模型的尺寸均采用实验样品的真实大小，利用二维有限 元模型模拟BGA 单个焊点组件的几何尺寸为压头（金刚石）： 半径 0.037mm ,高度 0.015mm ; PCB 基板（FR4）: 1.27 X 1.27 X 0.36mm ;焊盘（Cu ）:直径 0.86mm ，高度 0.025mm ; IMC

（Cu6Sn5）:直径 0.54mm ，高度 0.002mm ;焊点

（Sn3.0Ag0.5Cu ）:直径 0.9mm ，高度 0.72mm ，各组件的物

用反分析测试原理并结合数值模拟方法，建立了微小无铅焊 点压痕实验中载荷 -位移关系曲线与其弹塑性材料参数之间 的联系，并以幕指数本构方程的形式表征

Sn3.0Ag0.5Cu 无铅

钎料的的塑性性能 [10]，如式（ 4）所示。 为了简化造型及缩短模拟时间，可考虑模型为 x 轴对称

结构，取模型 1/2 进行分析，同时忽略了摩擦的影响，认为 各组件工艺质量良好无缺陷，焊点在整个分析过程中受到均 匀的载荷， 并对组件的初始状态做理想处理 （无应力状态） 。

建立的BGA 单个焊点的二维模型如图 3所示。

3 实验结果及分析 本次研究采用一次加载 -卸载的方式， 最大载荷为 200mN ；

加载速度分别为 5mN/s ， 10mN/s ，20mN/s ，50mN/s ；在最 大载荷处

本模 理参数如表 1 所示。

在纳米压痕实验的基础上，利