电子产品焊点可靠性—蠕变的作用

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

从本质上讲,焊点在使用寿命期间内会有磨损。这种退化过程是不可避免的。焊点可靠性的目标是确保焊点在预期的使用环境下,在指定的使用寿命期内,不会降低到失去所需功能的水平,无论是电、热或机械功能。排除其他外部原因,焊点内在退化过程主要涉及两种科学现象——疲劳和蠕变。在本讨论中,其他额外的原因包括润湿不足导致的不正确的焊点,与制造工艺相关的问题,在界面或界面附近表面光洁度引起的问题,如金脆化和其他金属间化合物相关问题等。

之前我们讨论了与电子产品焊接互连相关的疲劳知识。本文主要研究蠕变在焊点可靠性中的作用。

与疲劳对比

与疲劳相反,焊料蠕变定义为随时间变化的变形,是不可逆的和全局的。当施加持续应力时,焊料在弹性和塑性区域产生瞬时应变。随着时间的推移,焊料可能会继续随时间变化而变形,最终导致破裂。理论上,这种随时间变化的变形可以在绝对零度以上的温度下发生,尽管速度非常缓慢。在低温区(相对于材料的固有特性),蠕变应变非常有限,变形通常不会导致最终的断裂。在低温区,诱导应变以对数速率累积;而在高温区域,蠕变曲线偏离对数关系(参考文献1)。

此外,蠕变和疲劳与材料的宏观、微观结构和原子水平的不同参数相关联并受其控制。

一般来说,蠕变现象与合金特性的关系比疲劳过程更为直接。其相关特性主要包括极限抗拉强度、模量和熔化温度;例如,当其他参数相同时,抗拉强度越高,蠕变抗力越强。

蠕变基本知识

变形与时间关系的典型蠕变曲线包括三个阶段:(I)初级阶段,(II)次级阶段和(III)第三阶段。如图1所示。

在初级阶段,由于焊料变形时的结构变化,瞬态应变率从一个非常大的初始值迅速下降。当温度高于合金熔化温度的一半时,二次蠕变占主导地位,并且与自扩散过程密切相关。位错爬升或滑动通常被认为是速控环节。由于两个相互竞争的冶金过程——应变硬化和恢复(一种软化效应)之间的平衡,这一阶段的蠕变率达到稳定状态。在这种稳定状态下,加工硬化速率等于恢复速率。焊料塑性变形越多,继续变形就越困难。加工硬化是通过位错缺陷的产生和位错缺陷之间的相互作用进行的,位错缺陷阻碍了位错的进一步运动,从而阻碍了变形过程。然而,在较高温度下,加工硬化可能会部分或完全被恢复抵消。在此条件下,会发生一个随时间变化的热激活过程,这也是一种应变能释放软化现象。

当软化效应和应力增高克服应变硬化时,进入第三阶段,蠕变速率加速,直到发生断裂。这一阶段通常与结构变化有关,如再结晶、粗化和内部裂纹和/或孔隙的形成,这些可能是断裂的前兆。

值得注意的是,蠕变曲线的实际形状随施加的应力水平和暴露温度而变化;某些蠕变曲线可能不会显示所有三个阶段。对各种含铅和无铅合金系统的蠕变曲线进行了测量,请参见以前发表的文章(参考文献2和参考文献3)。

实际性能

然而,在现实的电子器件功能和性能中,蠕变并不是焊点退化过程中的唯一作用;无论环境导致产品最终失败还是保留产品的功能,这都是正确的。这一过程是疲劳和蠕变相互作用的结果。蠕变和疲劳机制将以一种竞争、替代或相互促进的方式进行行,具体取决于使用条件、外部气候和电路运行条件。

普通焊料的蠕变率各不相同。图2给出了五种无铅钎料合金相对于SnPb共晶合金的蠕变率实例(参考文献4)。通常采用的SnAgCu或SnAgCuBi的蠕变率(10-6~10-7/s)明显低于SnPb共晶的蠕变率(10-3/s)。实际焊点性能的差异表现为蠕变率差异。

需要注意的是,在通常采用的加速温度循环试验(与热冲击试验相反)中,预期的疲劳试验实际上无法将固有的蠕变机制与疲劳过程分开。从工程的角度来看,可以将退化现象视为蠕变加重疲劳或疲劳加速蠕变。这取决于焊点所接触到的特定的内部和外部参数。

简言之,电子产品中的焊点受到疲劳和蠕变过程的影响,并且它们相互作用。在这些条件下,可将其视为高温蠕变过程(相对于合金熔化温度)下,蠕变与循环热载荷或疲劳的耦合。后面的文章我们将讨论促进两种失效机制(蠕变加速疲劳或疲劳加剧蠕变)的主要参数和条件;以及蠕变和疲劳背后微观组织演变的相关情况和实际情况。

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