Sn-Ag-Cu无铅焊料的可靠性研究

4．2 可靠性的主要研究方法

对无铅焊点可靠性的研究方法主要有两种：试验法和数值模拟法。

4．2．1 试验法

任何封装件都不可避免地存在某种缺陷，为了确保其可靠性，必须在出厂前对其进行加速寿命试验。该实验就是在实验室里进行试验来获得产品可靠性认证的有关数据。加速寿命实验中的载荷要比实际应用中的载荷强度更大，在较短的时间内就可以观察到失效模式，并获得可靠性数据[11]。

试验中主要测试的是在拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷等不同载荷下，材料和结构的动态响应，同时还测量材料和结构的拉伸强度、断裂强度和抗疲劳性等。其中包括：芯片的断裂测试，凸点/焊球的剪切和抗拉测试，引线、连线的抗拉测试，芯片的剪切和抗拉试验，焊球阵列封装(Ball Grid Array，BGA)的剪切和抗拉试验，焊点材料和界面的疲劳测试等。

研究焊点的抗疲劳能力的试验方法有：加电功率循环、热循环和机械疲劳三种。循环试验适用于较大热膨胀系数(CTE)失配的部件。由于在加速实验中最高和最低温度下保温时间要比在现场工作时间大大缩短，因而应力松弛不完全，所以现场上的失效寿命总是小于加速实验中达到的寿命。

研究蠕变行为通常采用两类试验：同定负载下的持久应力试验和同定形变下的应力松弛试验，两类试验都可以用于模拟焊点服役过程中的负载条件。持久应力试验能够提供静态蠕变速率与温度及应力大小的关系，更有利于了解蠕变机制，是一种更常用的方法。

Sn-Ag-Cu焊点可靠性研究步骤如下：

(1)将Sn-Ag-Cu焊料用模板印制到印制电路板(PCB)的焊盘上，用半自动贴片机贴好后，在红外回流炉中进行再流焊，一般焊多组试样；

(2)将焊后的焊点在高温中(一般为l 50℃左右)保温不同时间(等温时效)后取出做显微剖样及剪切强度测试；

(3)将焊后的PCB板放入热冲击试验箱中进行冷热循环试验，设定最高温度、最低温度、循环周期、高低温的保温时间，经过一定的循环周期后将试样取出进行显微剖样及剪切强度测试；

(4)在不同热循环次数和等温时效时间下，比较焊点显微组织和剪切强度的变化，找出其中的规律。

4．2．2 数值模拟法

众所周知，由于Sn-Ag-Cu焊点向小尺寸、细节距方向发展，这给试验带来了更大的困难。为了克服上述困难，通常采用数值模拟法计算可靠性的数据。计算不同场合下的封装结构的应力分布，有限元法(Finite Element Method，FEM)是一种非常强大和有效的方法。

有限元模拟及在微组装焊点可靠性分析中的应用，主要集中在三个方面[12]：

(1)采用有限元分析，求解焊点内部循环非线性应变范围，代入Manson-coffin方程，预测焊点寿命；

(2)根据焊点的最大：Mises等效应力或等效非弹性应变，预测裂纹萌生部位；

(3)以焊点的Mises等效应力分布，评价不同形态焊点的可靠性，指导焊点的优化设计。

有限元模拟包括以下几个阶段：首先建立本构方程或理论方程；然后采用适当的假设，编写有限元程序；进而计算结构系统在模拟条件下的应力-应变；将有限元分析结果代入疲劳模型，预测失效前的疲劳，循环次数；最后是试验验证。

在多数情况下试验法和数值模拟法是同时使用的。这样二者相辅相成，能更好地研究焊点的可靠性。

5 展望

电子封装件无铅化已经是大势所趋。Sn-Ag-Cu焊料以其独特的优越性逐渐成为SnPb焊料替代品的首选。随着对Sn-Ag-Cu可靠性研究的不断深入，这种焊料将会得到更广泛的应用，发挥更大的潜能。