电子产品中焊点的可靠性—疲劳

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

无论是金属、聚合物还是陶瓷材料,在循环应力、拉应力模式和塑性应变条件下,疲劳都是材料失效的最可能原因之一。软钎焊焊料熔化温度低,通常被认为低于400 ℃,特别容易疲劳。在电路功能和/或外部环境中,温度波动不可避免地导致微电子封装和组件在使用寿命期限内经受循环应力/应变。大多数软钎焊焊料,即使在环境温度(25±5 ℃)下,也能达到远高于0.5的同源温度。因此,软钎焊焊料可能同时经历蠕变和疲劳过程,并可能相互作用。

当软钎焊焊料、锡铅或无铅焊料用于电子电路中的焊点时,如果没有其他外部的失效原因,焊点会随着时间的推移而退化。这种退化通常归因于疲劳。在电子应用中,焊接疲劳损伤通常是由温度波动引起的,而温度波动是由电路功能、电源开关和/或外部环境温度引起的。这些温度变化不可避免地产生循环热应力,特别是在电子封装和组件的使用寿命期限内,在一个高热膨胀系数不匹配的系统(通常在电子电路板级不可避免)中,会导致疲劳现象。

疲劳是一种渐进的局部结构损伤(原子级和更大级别的损伤),当焊点受到循环应力/应变(加载和卸载)时发生。这种局部损伤机制将疲劳与蠕变行为分离开来。当应力超过某一阈值时,将开始形成微观裂纹。然而,当出现微裂纹或多个微裂纹时,并不意味着会发生失效。

随着循环应力/应变的持续,当裂纹扩展并最终达到临界尺寸时,即使焊点没有完全断裂,也可能导致焊点失效。在这种情况下,裂纹扩展到阻碍所需电流的水平,导致功能(电气)故障。

对于作为电路中的电气、热和机械互连的焊点,机械断裂通常不是故障的实际标准;通过裂纹引起的电阻增加来测量的电气性能被用作故障标准。在许多情况下,电气故障往往导致机械断裂。当腐蚀元素存在时,会发生腐蚀加剧疲劳,进一步加剧疲劳过程,从而进一步缩短疲劳寿命。

在电子应用中,疲劳寿命受多种因素的影响,包括焊料合金成分、原位温度、外部温度、PCB表面涂饰、IC封装表面涂层、其他元件的表面涂层、金相微观结构、焊点缺陷(例如空洞)、“腐蚀性”元素的存在、残余应力等。

疲劳强度

疲劳强度与疲劳寿命有关,定义为在给定的循环次数后发生故障的应力值。疲劳强度不仅取决于特定的焊料合金材料、极高温和极低温,还取决于其他因素,如表面缺陷、缺口、孔洞、残余应力、空洞、气孔和夹杂物。所有这些“不完全性或缺陷”都可以作为应力集中点,在疲劳环境下引发局部损伤。这就是为什么缺陷,如空洞或表面裂纹,不应该被断然排除的原因,即使具体的测试结果没有揭示存在和不存在缺陷之间的性能差异,正如许多文献中所反映的那样。

材料科学(冶金原理)和制造方面的考虑与基于断裂力学的考虑同样重要。

疲劳极限

焊接材料没有疲劳极限,而一些黑色合金和钛合金则有明显的极限。疲劳极限被定义为一个振幅,低于该振幅时,似乎没有导致失效的循环次数。疲劳失效是疲劳损伤累积的结果。

疲劳机理

疲劳过程一般经历裂纹萌生、裂纹扩展和断裂三个阶段。疲劳通常与拉应力有关,但一些疲劳裂纹是由压缩载荷引起的。施加的应力范围越大,寿命越短。随着疲劳寿命的延长,疲劳寿命分散性有增加的趋势。它的损害是累积的和不可逆转的;材料在静止休息时不会恢复。

在原子层面,焊点疲劳机制始于微观层面的位错运动,最终形成持久的滑移带,成为短裂纹的核心。宏观和微观的不连续性(在晶粒尺度上)以及元件设计特征,导致应力集中(空洞、载荷方向的急剧变化等)是疲劳过程开始的常见位置。

微观结构上,晶粒粗化是扫描电镜观察到的结果。晶粒尺寸对疲劳很重要,一般来说,越小越好。假设一个完美的样品没有表面凹痕和其他缺陷,疲劳损伤开始于局部的塑性应变,这可能导致晶粒内(跨晶)或晶界内(粒间)的微裂纹萌生。然而,当存在其他缺陷(如表面缺陷)时,或当外部失效机制占主导地位时,缺陷或外部失效机制可起主导作用。

疲劳数据注意事项

当比较在不同条件下进行的单独研究的疲劳数据时,明智的做法是谨慎,因为疲劳是一个具有一定随机性的过程,即使在控制良好的环境中看似相同的样本中,也常常表现出相当大的分散性。

实际上,疲劳现象包括偶然性、随机性和可能性。因此,对于一个新的系统(新的材料、设计、元件或工艺),单次ATC测试很难得出合理的结论。对于已知系统和/或为了比较的目的,进行测试的一组条件能够达到比较的目的。

符合科学原理

测试数据应该与科学原理保持一致,并且需要与基础科学原理进行核对和平衡,这是合乎情理的,在本例中为基础冶金和断裂力学。

黄博士于2020年2月3日在圣地亚哥举行的APEX国际会议上发表了关于“电子可靠性——金属间化合物的作用”的演讲。

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

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