焊點的失效模式有哪些 (2)
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焊點的失效模式有哪些 (2)
在老化和熱循環(huán)過程中，焊點微觀結(jié)構(gòu)粗化和晶粒的取向是影響的焊點失效的重要因素。本文主要討論錫晶粒大小和取向?qū)o鉛焊點熱機械響應(yīng)和可靠性的影響。
不同晶粒取向影響金屬彈性和熱膨脹系數(shù)。如圖1所示，Bieler et al. 發(fā)現(xiàn) Sn晶粒在c軸上有著接近三倍大于a軸的各向異性彈性。c軸的熱膨脹系數(shù)也接近兩倍大于a軸。
當c軸平行于焊盤時，會使無鉛焊料和基板的熱膨脹系數(shù)差異。由于熱膨脹系數(shù)高度不匹配和高模量，容易在焊點拐角處形成大應(yīng)力并局部再結(jié)晶，從而造成焊點裂紋。另外在熱循環(huán)的電子系統(tǒng)中，應(yīng)力遠高于屈服力可能導(dǎo)致兩個相鄰的，取向錯誤的晶體 (Bieler et al., 2006)。焊點可能只包含一個晶粒。 晶粒取向的各向異性性質(zhì)會導(dǎo)致焊點之間的應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致小焊點容易受到?jīng)_擊。
焊料是有著高表面能的材料，因此受到熱應(yīng)力和機械應(yīng)力時焊點會吸收能量，使得原子擴散速度更快，并致使晶粒生長或成核。隨著晶粒變大，焊點空洞會增多。晶粒大小對焊點的塑性和蠕變性有著明顯影響。Chanchani (1999)對層狀微觀結(jié)構(gòu)的SnPb合金模擬實驗發(fā)現(xiàn)，隨著晶粒粗化程度變高，最大應(yīng)力和應(yīng)變值增加 (圖2)。如果應(yīng)力增加超過了焊點屈服應(yīng)力，則會導(dǎo)致塑性變形并影響焊點疲勞程度。對兩相合金如SnPb焊料而言，由于Pb不與基板形成金屬間化合物，熱應(yīng)力作用下Pb再結(jié)晶并形成大晶粒。
在焊料中加入一些摻雜物如Ti, Ni等或許可以抑制大晶粒生長和起到細化晶粒大小的作用。
參考文獻
Bieler, T.R., Jiang, H., Lehman, L. P., Kirkpatrick, T., & Cotts, E.J. (2006), " Influence of Sn Grain Size and Orientation on the Thermomechanical Response and Reliability of Pb-free Solder Joints", Electronic Components and Technology Conference, 56th, pp.370-381.
Chanchani, R. (1999), "Modeling and Simulation - The Effects of Grain Coarsening on Local Stresses and Strains in Solder Microstructure".
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