BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型，阐明其与连续介质损伤力学的联系，评估应力三轴度对预测模型的影响，并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列（Ball grid array，BGA）结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点（高度为500～100μm，焊盘直径为480μm）疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明，疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系；应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率，并最终影响焊点的疲劳寿命；应力三轴度与加载方式有关，拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响，应力三轴度随焊点高度降低而明显升高；而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限，焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小；测得的高度为100μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命，表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。

低碳钢的搅拌摩擦焊研究

利用钼基和钨基合金搅拌头以0．42～1.68mm／s的焊接速度在6.3mm厚的AISI 1018热轧钢板上得到了无缺陷的搅拌摩擦焊焊缝。在焊接过程中，测得搅拌头的轴向我荷约为18.7kN，扭矩约为55N·m。利用热电偶和红外照相系统测得搅拌头与工件接触面的温度接近1000℃。通过测量搅拌头焊前、焊后的尺寸发现，焊接过程中搅拌头尺寸因磨损和变形而发生了改变。在搅拌头插入工件阶段其尺寸变化最大。利用光学显微镜和扫描电镜观察焊缝组织，发现焊缝呈几个截然不同的微观组织区域。根据测量的温度和其微观组织可推测搅拌区的最高温度超过了1100℃，并且可能超过1200℃。在室温下测试了焊接接头的抗拉强度，拉伸试验中发现试样断在母材上，试样的拉伸强度和屈服强度与母材相当。研究结果表明钢的搅拌摩擦焊接头有良好的力学性能。搅拌摩擦焊可应用于相变淬硬钢、低合金高强钢和不锈钢。

高温时效下Sn/SnPb混装焊点的微观组织研究

针对Sn/Sn Pb混合组装焊点在工艺兼容性和长期可靠性方面存在的问题,设计了带菊花链结构的板级电路,采用回流焊接工艺对无铅方形扁平封装(QFP)器件和Sn Pb焊料实现混合组装,对组装样品进行1500 h的高温老化实验。通过对高温老化前后混装焊点显微组织的分析和电、力学性能的研究,探讨混装焊点两侧焊接界面金属间化合物(IMC)的生长规律及其对焊点电、力学性能的影响.结果表明:Cu6Sn5和Cu3Sn金属间化合物厚度均与老化时间的平方根呈线性关系,混装焊点界面的Cu6Sn5分解反应是Cu3Sn化合物的主要生长机制;老化过程中富铅相在焊接界面的聚集,切断了焊点内Sn原子的扩散通路,形成阻碍IMC层进一步生长的抑制区;焊点基体β-Sn的尺寸粗化、Pb的富聚以及具有本质脆性的IMC层状生长降低了焊点的抗拉强度,层状IMC的厚度在一定程度上反映了焊点的力学性能.

界面耦合作用对Cu(Ni)/Sn-Ag-Cu/Cu(Ni)BGA焊点界面IMC形成与演化的影响

研究了焊盘材料界面耦合作用对Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu(Ni)BGA(Ball Grid Array)结构焊点焊后态和125℃等温时效过程中界面金属间化合物(IMC)的成分、形貌和生长动力学的影响.结果表明.凸点下金属层(UBM)Ni界面IMC的成分与钎料中Cu含量有关,钎料中Cu含量较高时界面IMC为(Cu.Ni)6Sn5.而Cu含量较低时,则生成(Cu,Ni)_3Sn_4;Cu-Ni耦合易导致Cu/Sn-3.0Ag 0.5Cu/Ni焊点中钎料/Ni界面IMC异常生长并产生剥离而进入钎料.125℃等温时效过程中.Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu界面IMC的生长速率常数随钎料中Cu含量增加而提高.Cu Cu耦合降低一次回流侧IMC生长速率常数;Cu Ni耦合和Ni-Ni耦合均导致焊点一次回流Ni侧界面IMC的生长速率常数增大,但Ni对界面IMC生长动力学的影响大于Cu;Ni有利于抑制Cu界面Cu_3Sn生长.降低界面IMC生长速率。

Sn-3.5Ag/Cu体系早期界面反应及凝固过冷行为

利用差示扫描量热分析法结合焊点回流过程,研究了无Pb钎料Sn-3.5Ag与Cu基底构成的Sn-3.5Ag/Cu体系模拟焊点中早期界面反应及焊点形成过程中钎料熔化和凝固特性.结果表明,加热过程中Cu向钎料合金侧的固态原子扩散导致界面生成低熔点Sn-Ag-Cu三元合金,使焊点界面在低于Sn-3.5Ag钎料熔点温度近4℃时即开始熔化;早期界面反应促使润湿过程提早发生并生成了一定厚度的扇贝状Cu-Sn型金属间化合物(IMC),原体系转变为Sn-Ag-Cu/Cu体系;转变后的焊点体系在IMC的非均匀形核作用下具有较低的过冷度.