焊点疲劳强度研讨一．疲劳强度电子元器件的焊点必须能经受长时间的微小振动和电路发散的热量。

随着电子产品元器件安装密度的增加，电路的发热量增加，经常会发生焊接处的电气特性劣化，机械强度下降或出现断裂等现象。

材料在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。

疲劳是一种低应力破坏。

二．提高疲劳强度性能的方法2．1提高焊点的可靠性提高焊点可靠性的最好方法有三个：提高焊点合金的耐用性；减少元件与PCB之间热膨胀系数（CTE）的失配；尽可能按照实际的柔软性来生产元件，向焊点提供更大的应变；2．1．1提高焊点合金的耐用性2．1．1．1选择合适的焊膏2．1．1 润湿性能对于焊料来说，能否与基板形成较好的浸润，是能否顺利地完成焊接的关键。

如果一种合金不能浸润基板材料，则会因浸润不良而在界面上产生空隙，易使应力集中而在焊接处发生开裂。

焊料的润湿性主要的指标浸润角和铺展率。

从现象上看，任何物体都有减少其自身表面能的倾向。

因此液体尽量收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺展开来覆盖其表面。

如果液体滴在固体表面，则会形成图一所示的情况。

图二和图三分别表示浸润不良和良好的现象。

θ为浸润角，显然浸润角越小，液态焊料越容易铺展，表示焊料对基板的润湿性能越好。

a. 当θ<900，称为润湿，B角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开；b. 当θ>90时称为不润湿，B角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，越容易收缩成接近圆球的形状;c. 当θ=00或180“时，则分别称为完全润湿和完全不润湿。

通常电子工业焊接时要求焊料的润湿角θ<200。

影响焊料润湿性能主要有:焊料和基板的材料组分、焊接温度、金属表面氧化物、环境介质、基板表面状况等。

IPC－SPVC用润湿力天平来测量并用润湿时间以及最大润湿力来表示的方法评估了不同组成的 SAC 合金的润湿性，结果发现其中（零交时间与最大润湿力）并无差异，见图4。

各候选合金与锡铅共晶合金的润湿性比较见图5。

图 4 不同组成的SAC的润湿性评估结果结论：同样条件下其润湿能力按如下顺序增加：SnCu<SnAg<SnAgCu<Sn63Pb37。

2．1．2焊料的物理性能比较影响电子制造工艺及其产品可靠性的焊料物理性能主要包括：熔点温度（或液相线与固相线）、表面张力、密度、电阻率、热导率以及热膨胀系数，详见表1。

表1 部份无铅焊料的物理性能性能参数Sn3.5Ag Sn0.7Cu SnAgCu Sn63Pb37 熔点（℃）221 227 217 183表面张力460（260℃,air） 491(277℃,air) 510(Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb) 380(260℃,air)431(277℃,air)461(277℃,N2)417(233℃,air)493(271℃, N2) 464(233℃, N2)密度（g/cm3）7.5 7.3 7.5 8.4 电阻率（μΩcm）10.8 10~15 13 15热导率（W/cm.℃） 0.33(85℃) — 0.35(85℃) 0.5（30~85℃）热膨胀系数（CTE,ppm/K）30 19.3 21.5 23.3结论：a.在熔点方面，低或越接近铅锡共晶焊料将越有利，可以降低高温对元器件、PCB的损伤以及减少能耗。

b.表面张力则会影响焊料的润湿性能，如2．1．1所述。

c.电阻率越小，造成传输信号的损失越小。

SnAg合金表现最好。

d.热导率越大焊点的散热越快，可以改善器件的可靠性。

e.CTE将会拉大对铜焊盘的差距，显然对疲劳寿命影响会增大。

2．1．3焊料的机械性能比较材料性能中与焊点性能密切相关的主要包括抗拉强度、剪切强度与延展率。

如下表2。

表2 无铅材料的机械性能性能参数Sn3.5Ag Sn0.7Cu SnAgCu Sn63Pb37 抗拉强度（MPa）35 23 48.546剪切强度（MPa）27 20~23 — 231mm/min.reflow 焊点（N/mm2.20℃）焊点（N/mm2.100℃）39 28.5 —34.5(60/40) 27 23 27 2317 16 17 14杨氏模量（GPa）26~56 / / 15.7~35蠕变强度N/mm220℃13.7 8.6 13 8.0 100℃ 5 2.1 5 1.8延展率（%）39 45 36.5 31 结论：a.抗拉强度、剪切强度主要影响焊点的强度以及PCBA互连的可靠性。

b.延展率则决定焊材在使用或加工时的适应性，各焊料的延展率均无明显差异，都可以满足制造与使用的要求。

2．1．4焊料合金成份选择焊点的寿命主要与蠕变和疲劳的相互作用和/或者金属互化物的生长有关，同时还要充分考虑电子产品在实际应用环境下微结构的变化。

实际应用环境可能会促进以蠕变为主的疲劳造成损坏，或者以疲劳为主的蠕变造成损坏。

造成焊点损坏的这类原因直接焊点的基本构成和微结构的变化有关。

为了说明各种成份的普通无铅焊料的相对性能，图6列出了它们的应力-应变曲线（25℃、6.2×104−/秒）。

图6 无铅合金的应力—应变曲线机械性能对银和铜含量的相互关系分别作如下总结：a. 当银的含量为大约3.0~3.1%时，屈服强度和抗拉强度两者都随铜的含量增加到大约1.5%，而几乎成线性的增加。

b.超过1.5%的铜，屈服强度会减低，但合金的抗拉强度保持稳定。

整体的合金塑性对0.5-1.5%的铜是高的，然后随着铜的进一步增加而降低。

c.对于银的含量(0.5-1.7%范围的铜)，屈服强度和抗拉强度两者都随银的含量增加到4.1%，而几乎成线性的增加，但是塑性减少。

d.在锡/银/铜三重系统中，1.5%的铜(3-3.1%Ag)最有效地产生适当数量的、最细小的微组织尺寸的Cu6Sn5粒子，从而达到最高的疲劳寿命、强度和塑性。

结论：※根据对已有数据的分析，一般认为，焊点的疲劳寿命按如下顺序增加：SnPb<SnCu<SnAg~SnAgCu。

※最佳合金成分：95.4Sn3.1Ag1.5Cu2．2减少元件与PCB之间热膨胀系数（CTE）的失配自从表面贴装技术的开始，温度膨胀系数(CTE, coefficient of thermal expansion)问题是经常讨论到的，它发生在SMT连接材料特性的温度膨胀系数(CTE)通常相差较大的时候。

一个典型的装配由FR-4板、焊锡和无引脚或有引脚的元件组成。

在温度的波动和电源的开关下，这些CTE的差别增加焊接点内的应力和应变，缩短使用寿命，导致早期失效。

a．合金的选择不同的合金有不同的CTE，下表3为部份合金的CTE。

表3 各典型合金成份的CTE物理性质Sn/Pb Sn99.3/Cu0.7Sn/Ag3.0/Cu0.5Viromet 349(Sn/Ag/Cu/In)Viromet347(Sn/Ag/Cu/In)热膨胀系数(um/m℃)23.3 19.3 21.5 22.9 21.9 而FR-4（PCB主要材质）为16，聚酰亚胺薄膜（FPC主要材质）为40，铜引脚为16.5，氧化铝（Al2O3）为6.4。

结论：SAC合金与SnPb相近，甚至与FR-4（PCB）、铜引脚（元件）、氧化铝（SMD元件）更靠近，以上4种合金皆可满足要求。

b．合理的系统温度管理设计元件的散热要求不断增加，运行期间产生的热量必须有效地从元件（芯片）带出到包装表面，然后到室温，减少焊接点的应力与应变。

所以，元件的封装和电路的设计都会影响到散热过程的效率。

焊锡连接使用期间暴露的环境下，冶金特性会发生七个不同的改变：塑性变形(plastic deformation)：当焊锡受到外力，如机械或温度应力时，它会发生不可逆变的塑性变形。

连续的或周期性的塑性变形最终导致焊点断裂。

应变硬化(strain-hardening)：是塑性变形的结果，通常在应力与应变的关系中观察得到。

回复过程(recovery process)：是应变硬化的相反的现象，是软化的现象，即，焊锡倾向于释放储存的应变能量。

该过程是热动力学过程，能量释放过程开始时快速，其后过程则较慢。

对焊接点失效敏感的物理特性倾向于恢复到其初始的值。

再结晶(recrystallization)：通常发生在相当较高的温度下，涉及比回复过程更大的从应变材料内释放的能量。

在再结晶期间，也形成一套新的基本无应变的晶体结构，明显包括晶核形成和生长过程。

溶液硬化(solution-hardening)：或固体溶液合金化过程，造成应力增加。

沉淀硬化(precipitaion-hardening)：包括来自有充分搅拌的微沉淀结构的强化效果。

焊锡的超塑性(superplasticity)：出现在低应力、高温和低应变率相结合的条件下。

2．3选用合适的焊接表面处理方式抑制IMC的生长与老化a．能够被锡铅合金焊料(或称焊锡Solder)所焊接的金属，如铜、镍、金、银等，其焊锡与被焊底金属之间，在高温中锡原子及被焊金属原子之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作，会快速形成一薄层类似＂锡合金＂的化合物，且事后还会逐渐成长增厚。

此物称为IMC（Intermetallic compound的简写）。

IMC本身具有不良的脆性，将会损及焊点之机械强度及寿命，其中尤其对抗劳强度危害最大。

IMC会随时老化而逐渐增厚，通常其已长成的厚度，与时间大约形成抛物线的关系，即：δ＝k √t，k＝k exp(－Q/RT)δ表示t时间后IMC已成长的厚度。

K表示在某一温度下IMC的生长常数。

T表示绝对温度。

R表示气体常数，即8.32 J/mole。

Q表示IMC生长的活化能。

K＝IMC对时间的生长常数，以nm / √秒或μm / √日(1μm / √日＝3.4nm / √秒)。

现将四种常见含锡的IMC在不同温度下，其生长速度比较在下表的数字中：表3 各种IMC在不同温度中之生长速度(nm / √s)金属介面20℃ 100℃ 135℃ 150℃ 170℃40Sn/AuSn/Ag 0.08 17~35Sn/Ni 0.08 1 5Sn/Cu 0.26 1.4 3.8 10[注] 在170℃高温中铜面上，各种含锡合金IMC层的生长速率，也有所不同；如热浸锡铅为5nm/s，雾状纯锡镀层为7.7(以下单位相同)。

b．锡铜介面IMC的生长与老化锡铜之间最先所形成的良性η-phase(Cu6Sn5)，已成为良好焊接的必要条件。

唯有这IMC的存在才会出现强度好的焊点。

但这种良好的IMC还会因铜的不断侵入而逐渐劣化，逐渐变为不良的ε-phase(Cu3Sn)。

此两种IMC所构成的总厚度将因温度上升而加速长厚，且与时俱增。

下表4即为各种状况下所测得的IMC总厚度。