电子产品中焊点的可靠性—疲劳(第2部分)

作者:H-Technologies Group首席执行官:Jennie S. Hwang博士

上期续:(上接第1部分)与电子产品焊点性能相关的疲劳导论,本专栏以专栏的形式为读者提供了一篇关于疲劳的入门文章,重点介绍了基础科学。

一个普遍一致的发现是,在疲劳环境下,焊点失效最常见的原因是累积的子结构损伤,这是由于剪切过程中的等温低循环疲劳和/或由于温度波动导致的热机械退化。疲劳是一种复杂的现象,其机理与晶格结构等因素密切相关,只能用位错理论来解释。根据基本的位错理论,疲劳特性表现为焊点在反复应力(应变)作用下强度的下降,即焊点的强度下降,强度与循环次数的关系见S-N曲线。这种在循环荷载作用下强度的持续下降被认为是通过以下关键事件发生的:

反复的循环应力会导致滑移(滑移系统),有时会导致局部应变硬化。

局部应变硬化区导致局部延性降低,从而导致微观裂纹;或者,局部高水平塑性应变导致裂纹萌生。

微观裂纹进一步集中应力,直到断裂发生。

研究发现,焊点失效可能涉及多个基本冶金事件和过程的相互作用,包括沉淀、相粗化、再结晶、晶粒长大、过时效或不需要的或过量的金属间化合物的形成。这些过程通常被认为是最终失败的前兆。

在电子封装或组件中,界面处过量金属间化合物的增长是另一个潜在的失效事件。在一些基于SAC合金的无铅焊点(如Sn3.0Ag0.5Cu)中,大部分焊点中金属间化合物的生长也可能导致进一步的失效过程。

固态金属的一个唯一微观结构相是固溶体(参考文献1和2)。当材料含有如图1所示的固溶体相时,溶质原子(蓝色)取代了溶剂主原子(红色),溶质原子之间的额外相互作用和位错就会发生。取代溶质原子与位错在边缘方向上的相互作用是特别有效的。当一个小溶质原子在位错平面内或靠近位错平面的压缩区域与一个较大的溶剂原子发生次碰撞时,可以大大减轻畸变。这样,晶格的自由能就会降低。这反过来又会影响位错的运动。

上述冶金过程是高度温度敏感的,在温度远低于100 °C的焊料中已得到确认。在某些情况下,它们是由温度驱动的。观察到的现象背后有一些基本的原理,总结如下。

温度对焊料性能的影响

从材料的角度来看,随着温度的升高,金属(如焊料合金)中的固有事件会随着温度的升高而被激活、加速或改变;这些发生在微观和原子水平上的事件包括:

*增加晶格中原子和空位的迁移率;

*增加位错运动的迁移率;

*滑移系变化;

*创建新的滑动系;

*晶界处激活变形;

加速或激活冶金反应(例如,恢复、再结晶。晶粒粗化、第二相粗化);

如果存在腐蚀环境,则加剧疲劳-腐蚀交互作用,即腐蚀增强疲劳。

塑性变形基础

众所周知,塑性变形是当材料受到超过屈服强度的应力时,其形状或尺寸发生永久性变化的一种现象;相比之下,弹性变形只是在尺寸上的暂时变化。典型的应力-应变特征曲线如图2所示,显示了屈服点之前的弹性行为和屈服点之后的塑性行为。

一种二元材料,如焊料合金,在塑性变形时变得更硬更强,从而形成如图2所示的应变硬化区。在塑性变形过程中,位错的数量急剧增加。然而,材料塑性变形的能力取决于位错移动的能力。

也可以理解,疲劳断裂通常是由位错滑移和局部塑性变形引起的。由于施加应力,塑性屈服的金属将在多个平行平面上发生剪切。在微观尺度上,疲劳过程最重要的特征是一个或多个裂纹在超过阈值的反向应力作用下形核。在循环载荷作用下,缺陷尖端出现塑性区(或变形区)。这一高变形区成为疲劳裂纹的起始点。接着在持续滑移带或晶界处出现裂纹。

根据所施加的相对应力(应变)水平和温度,结晶合金可以通过一种或几种机制的组合变形:

*滑移(滑移带)

*位错爬升

*螺型位错交叉滑移

*晶界剪切

*晶内空位或原子扩散

滑移是当剪切应力超过阈值时,晶体块沿一定的晶体面(滑移面)在另一晶面上滑动的塑性变形过程。值得注意的是,这一过程可以在没有热激活的情况下发生,这与在4 K下观察到的疲劳失效的发现是一致的。

温度可以改变变形动力学;在高应力和低/中温条件下,塑性变形动力学遵循幂硬化、位错爬升控制机制。在低应力区和高温下,晶界滑移成为一个速率控制过程。

位错在塑性变形中的作用

错位本身就是一门科学。从熔体凝固而成的常见晶体金属(如焊点)中不可避免地会出现位错。这里总结了与焊点可靠性相关的几个关键问题。

位错是晶体结构中的二维晶体缺陷或不规则,它包含了原子排列的突变。位错密度随金属先前的历史而变化。位错的移动使原子在低应力水平上相互滑动,这被称为滑动或滑移。

位错与晶体的滑移密切相关,是解释滑移现象(即塑性变形)的最重要因素。材料的塑性变形是由许多位错同时产生和运动而产生的;滑移机制通常包括刃型位错或螺型位错的位错运动,如图3所示。刃型位错定义为位错线方向垂直于滑移方向(Burgers矢量);螺型位错定义为位错线方向与滑移方向平行。

在变形过程中,位错产生,热能辅助位错运动,这个过程从微观或原子层面的位错运动开始,最终形成持续的滑移带,成为短裂纹的核心。位错将通过克服Peierls应力(在晶格中使位错处于低能量位置的力)而移动。位错还可以通过位错割阶(通过刃型位错交交和螺型位错交叉滑移)和位错爬升(通过刃型位错)移动。

当交叉滑移困难且位错被约束以更平面的方式移动时,这可以限制塑性变形的集中和抑制疲劳损伤,除非晶界滑移能被激活。另一个值得注意的现象是,在低于再结晶温度时,位错不受热波动的影响。

总的来说,通过刃型位错滑动或刃型位错爬升或螺型位错交叉滑移或螺型位错交割的位错结构和动力学是解释晶格滑移的关键,而滑移又与疲劳等机械性能有关。在塑性变形过程中,产生滑移所需的应力随着剪切应变的增加而不断增大。由于先前的变形而导致的继续变形所需要的应力增加称为应变硬化,这是由于位错密度的增加和位错滑动和运动的相互阻碍造成的。例如,如果不发生螺型位错的交叉滑移,变形过程中位错的运动就会受到阻碍,在低应变值下,应变硬化率就会很高,断裂就会发生。

参考文献

(ISBN-0442-2075-49) “Solder Paste Solder Paste in Electronic Packaging – Technology and Applications for Surface Mount, Hybrid Circuits, and IC Component Manufacturing”, Van Nostrand Reinhold, New York, 1988; Chapter 3,

In Japanese, (ISBN4-7693-1090-0) “Solder Paste: Technology and Applications for Surface Mount, Hybrid Circuits, and IC Component Manufacturing”, Industrial Research, Japan 1991, Chapter 3.

作者简介

黄博士是一位国际女商人、国际演说家和商业与技术顾问,自SMT诞生以来,一直致力于SMT制造以及无铅电子技术的开发和实施。

她获得了众多奖项和荣誉,她入选了国际名人堂——科技界女性,入选了美国国家工程学院院士,获得了研发明星和YWCA成就奖。她曾在Lockheed Martin Corp.、Sherwin Williams Co.、SCM Corp.、International Electronic Materials Corp.等公司担任高级行政职务,目前是H-Technologies Group公司的首席执行官,该集团提供商业、技术和制造解决方案。

她是国防部陆军研究实验室评估委员会主席和陆军工程中心评估委员会主席;并担任美国商务部出口委员会、美国国家材料与制造委员会、NIST评估委员会、各种国家小组/委员会、国际领导职位,以及财富500强纽约证交所公司、公民和大学董事会的董事。

她是500多种出版物和多本书籍的作者,同时也是贸易、商业、教育和社会问题的演讲人和作者。她的正规教育包括四个学位,以及哈佛商学院(Harvard Business School)的高管项目和哥伦比亚大学(Columbia University)的公司治理项目。更多信息请访问:www.JennieHwang.com

需要阅读更多内容,请点击“环球SMT与封装

上一篇:ASM WORKS助您快速可靠地迈向集成化智慧工厂之路

下一篇:电子不是离子为纳米级半导体器件