無鉛焊點的熱損傷電測理論及應用.pdf

1、高密度電子封裝集成化,使得焊點可靠性評估和檢測更加困難,而封裝無鉛化,又給焊點可靠性研究帶來新的問題。無鉛焊點的可靠性問題中,熱可靠性問題占了大部分,其熱可靠性問題是源于熱損傷。因此,對無鉛焊點的熱損傷研究成為熱點問題。怎樣檢測無鉛焊點熱損傷是研究者面對的重要課題。
　　 本文是在熱載荷條件下基于電測理論及方法的單個無鉛焊點熱損傷的基礎研究。主要工作及結(jié)論如下:1、無鉛焊點的熱損傷理論研究
　　 本文描述單個無鉛焊點熱損

2、傷電測方法的概念,并分析電測方法的優(yōu)缺點和可行性?；趶椝苄詿釕碚?結(jié)合無鉛焊點的熱載荷實際情況,分析了熱對焊點的影響、焊點熱損傷和失效的特征,針對焊點熱損傷不同機理分析討論了熱蠕變和熱疲勞損傷,將其受損截面和孔洞等效為有效損傷承載截面面積,基于能量守恒揭示了無鉛焊點的損傷變量與剪切應變間的關系,為討論損傷變量與電阻應變奠定了理論基礎。
　　 從金屬導體電阻的本質(zhì)出發(fā),結(jié)合固體裂紋等效理論揭示了電阻應變與裂紋擴展的定量關系。

3、基于“有效承載橫截面面積”模型和損傷力學導出無鉛焊點損傷變量與電阻應變的關系,并進行了模擬實驗。研究結(jié)果表明,不同載荷下的焊點的電阻應變特性反映了相應損傷變量的變化規(guī)律。通過損傷變量建立了焊點的電阻應變與焊點的熱蠕變和熱疲勞的塑性應變的定量關系,為實現(xiàn)在線電阻測量無鉛焊點熱損傷的方法提供理論依據(jù)。2、無鉛焊點特性測試系統(tǒng)研制
　　 以無鉛焊點電阻及電阻應變與焊點損傷變量的關系為理論依據(jù),采用電子技術、單片機技術和電子測量技術,研

4、制了通過監(jiān)測無鉛焊點電阻描述其損傷過程的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機(PC)、下位機(單片機)、控制和測試裝置的軟硬件、測試平臺等組成。為了保證測試系統(tǒng)的精度采取了如下的措施:選擇精密元器件,應用多數(shù)據(jù)采集平均后計數(shù),改四探針法為五點差分法等,使得測量電阻精度達到了微歐級。將無鉛焊點在熱載荷下的溫度、時間、電阻、電阻應變等參量,以曲線的方式顯示在PC機的界面上,它們反映了焊點的熱損傷狀態(tài)和失效過程。自制溫度控制儀,采用Pt100鉑電阻作為測

5、溫元件,測量分辨率達到0.125℃;實現(xiàn)了電加熱爐功率的調(diào)節(jié),并辨識系統(tǒng)工作模式,自動記錄循環(huán)次數(shù)。3、電阻應變描述的無鉛焊點熱損傷實驗研究
　　 在無鉛焊點的恒溫剪切蠕變實驗中,室溫(25℃)和高溫(125℃)實驗結(jié)果表明,兩者的電阻應變特性曲線均可分為減速應變區(qū)域、線性(穩(wěn)定)應變區(qū)域和加速應變區(qū)域,分別對應金屬蠕變損傷的第一階段、第二階段與第三階段;電阻應變反映了焊點的熱損傷,只需測試焊點在一段時間內(nèi)少數(shù)幾個時刻的電阻應變

6、,便判定服役焊點所處的損傷程度;兩者不同之處在于高溫時的電阻應變大于室溫時的電阻應變,表示高溫時焊點的損傷大于室溫時的損傷,并且使用壽命較室溫時短。
　　 在無鉛焊點的熱疲勞實驗中,溫度范圍從40℃到125℃,熱循環(huán)加剪切應力蠕變疲勞實驗結(jié)果表明:電阻應變變化過程反映焊點的熱疲勞損傷過程;在循環(huán)溫度范圍內(nèi),高、低溫端的不可逆電阻應變趨勢相似,也有減速變化區(qū)域、線性(穩(wěn)定)變化區(qū)域和加速變化區(qū)域,很好地反映了熱蠕變的變化特性,但高

7、溫的不可逆損傷略強于低溫的不可逆損傷;對焊點在循環(huán)的斷裂前一兩個循環(huán)周期研究,發(fā)現(xiàn)失效均發(fā)生在循環(huán)上升階段。
　　 實驗結(jié)果與理論關系吻合,證明此方法適合作為無鉛焊點可靠性檢測方法。4、基于電阻應變的無鉛焊點熱損傷與失效檢測應用研究
　　 應用電測無鉛焊點損傷理論,探討了無鉛焊點厚度的尺寸效應,溫度與電阻應變遲滯回線和焊點失效判據(jù),結(jié)論如下:
　　 (1)無鉛焊點厚度的尺寸效應
　　 在剪切蠕變條件下,通

8、過試驗和有限元仿真的方法,對橫截面積為1mm2的不同厚度的矩形焊點(Sn3.5Ag)研究。結(jié)果表明,當焊點厚度為0.25mm時,不僅電阻應變最小,而且蠕變性能最優(yōu)。該無鉛焊點的厚度尺寸效應,為其制作工藝提供了理論依據(jù)。
　　 (2)溫度與電阻應變遲滯回線
　　 在無鉛焊點的熱蠕變疲勞中,通過分析和研究溫度與電阻應變的關系表明:它們具有類似于材料力學的應力應變遲滯回線的特性,該遲滯回線反映無鉛焊點的損傷變化和積累程度,可逆

9、電阻應變范圍對應于可逆損傷變化,不可逆電阻應變范圍對應于不可逆損傷積累,焊點的失效取決于不可逆損傷積累程度。溫度與電阻應變的遲滯回線為無鉛焊點熱損傷的檢測提供了新的檢測方法。
　　 (3)無鉛焊點的失效判據(jù)
　　 對大量無鉛焊點熱載荷下的電阻應變特性進行了分析研究,結(jié)果顯示,每條電阻應變特性曲線均存在線性區(qū)域與加速區(qū)域的臨界點,該臨界點與熱損傷變量的臨界點對應,試驗測得的臨界電阻應變是0.05左右,過臨界點之后焊點熱損傷