加载速率对SAC系列焊点蠕变性能影响的研究
【摘 要】随着微电子封装技术的不断发展，焊点的
形式以及焊点所用无铅钎料的种类愈发繁多，从而使得对焊 点力学性能的考察尤为重要。在所有对焊点性能的考察中抗 蠕变性能是一项重要的考察项目，本篇文章通过实验和有限 元数值模拟两种方法加载速率对焊点抗蠕变性能的影响。对
SAC系列钎料焊点进行纳米压痕实验及模拟， 获得载荷-深度 曲线、时间-深度曲线， 以及时间 -蠕变速率曲线。 结果表明： 蠕变的速率并不是恒定的，随着加载速率的增大，钎料的蠕 变程度以及蠕变速率依次增大， 并逐渐减小， 最终趋近于零。
关键词】蠕变；纳米压痕；有限元模拟；焊点；加载
速率
0 序言 电子器件服役时，相对于服役的环境温度，焊料自身熔
点较低，随着时间的延续，产生明显的焊点蠕变损伤。由于 蠕变性能对于高温材料的使用至关重要，是影响焊点失效行
为及焊点可靠性的重要因素。因此，研究材料的蠕变性能是
但在实际测量中，对于微电子封装焊点这类本身体积很
小的测量件，由于钎料属于软金属，并且在加工钎焊后会产
生明显的尺寸效应，各种性能受尺寸的影响明显不同于传统 焊接。所以对于微电子封装焊点只能通过纳米压痕蠕变来获 得其蠕变性能参数。
在过往研究中，已有过研究剪切力大小、饱载时间、加
载方式对焊点蠕变性能的影响；而本文借助纳米压痕仪及先 微电子封装焊接研究中 个重要的部分 [1-3]。 进的有限元计算机模拟软件对 SAC系列钎料（Sn-3Ag-0.5Cu
Sn-0.3Ag-0.7Cu Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La）焊点进行一次加载
卸载纳米压痕实验、模拟，得到载荷 -深度曲线 （ load-depth
曲线），通过对实验数据的分析获得焊点蠕变程度及蠕变速 率在加载速率影响下的变化规律。
1 纳米压痕及有限元分析理论
1.1 纳米压痕法 纳米压痕法主要通过测量加载、卸载过程中压头作用力
与载荷深度得到的加卸载曲线来获得样品的硬度与弹性模 量等力学性能参数。进行纳米压痕测试时压头需垂直于样品 被压面，等压头接触试样表面后开始加载，直至加载到最大 值后再缓慢卸载，实时检测压头压入位移随载荷的变化。测 试的结果是一组载荷 -位移曲线， 通过对 load-depth 曲线进行 物理反解析计算能获得材料的弹性模量、硬度及蠕变应变速 率敏感指数等力学性能参数。
般来说，纳米压痕仪用于测量硬度 H和弹性模量E是
两个钎料的基本力学参数，它们对于研究一种钎料的力学性 能起到了很重要的作用。纳米压痕法测量材料的 H和E的基
本公式为：
是由力-位移曲线中的最大应力点 Fmax沿着卸载曲线开始向
引切线，与横坐标轴的交点。
本实验利用纳米压痕仪中队压痕位移深度的精确测量
及纳米压痕技术中所采用的计算公式（式 3）来分析焊点在
受压后保载时间内发生的蠕变。
图 1 为一条典型的纳米压痕测量出来的材料蠕变特征的
loading-depth 曲线，最大载荷处停留的一段时间内所产生的 压入深度 h
与时间 t 的关系曲线反映了该材料的蠕变特征。
1.2 有限元模拟技术 有限元的基本原理是将求解未知场变量的连续介质体
划分为有限个单元，单元用节点连接，每个单元内用插值函 数表示场变量，插值函数由节点值确定，单元之间的作用由 节点传递，建立物理方程。将全部单元的插值函数集合成整 体场变量的方程组，然后进行数值计算。数值分析在对理解 材料在微纳米尺度或微纳米表层的力学性能的问题中体现 出了突出的优势 [4] 。
所以现在国内外对封装体系热应力与机械应力失效的
分析和预测，主要采用有限元分析方法 [5-7] 。有限元方法已 经成为求解实际工程问题的一种重要手段，并且逐步开发相
应的有限元软件，女n ANSYS MARC和ABAQUS等，具有处
理几何非线性、材料非线性和包括接触非线性在内的边界条 件非线性以及组合的高度非线性的超强能力；可以处理各种 结构的静力学、动力学（包括模态分析、瞬态响应分析、简 谐响应分析、谐响应分析）问题、温度场分析以及其他多物 理场耦合问题；同时拥有高数值稳定性、高精度和快速收敛 的高度非线性问题求解技术。 式中：£取决于压头几何形状，三棱锥压头 =3/4 ；hr 2 研究步骤
2.1 实验
1）采用感应加热的方法，制备出 Sn-3Ag-0.5Cu，
Sn-0.3Ag-0.7Cu Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La 三种钎料。
（2）采用装有丙三醇的电炉坩埚，加热到 280 ° C制备
直径为900卩m的BGA焊球。
3）将超声波清洗后的焊球在助焊剂的作用下回流焊
接在铜基板上，形成回流 BGA焊点。
（4）将回流 BGA焊点依次使用 80#、600#、1200#、2000#
砂纸在低速金相抛光机上进行打磨及抛光，直至露出焊点， 并保证焊点截面处无划痕，获得金相压痕试样如图
5）利用纳米压痕仪采用一次加载 -卸载方式并配有多
种加载速率对三种钎料制成的焊点进行蠕变性能测试，来研 究加载速率对焊点蠕变性能的影响。
2.2 模拟 三维模型的自由度高于二维的一个数量级以上，这将导
致三维模型中积累的数据误差对模拟的结果存在很大的影 响[8] ；其次，三维中模拟结果可能与网格的划分存在很大相 关性 [9]。
为了简化分析，在模拟时压针被简化为顶角半角 a
=70.3°
的圆锥刚体，因此横截面面积和深度的比例与 Berkovich 压
和Vickers压针是相同的。为了获得更好的模拟结果， 拟中模型的尺寸均采用实验样品的真实大小，利用二维有限 元模型模拟BGA单个焊点组件的几何尺寸为压头（金刚石）： 半径 0.037mm ,高度 0.015mm ; PCB基板（FR4）: 1.27 X 1.27
X 0.36mm ;焊盘（Cu）:直径 0.86mm，高度 0.025mm ; IMC
（Cu6Sn5）:直径 0.54mm，高度 0.002mm;焊点
（Sn3.0Ag0.5Cu）:直径 0.9mm，高度 0.72mm，各组件的物
用反分析测试原理并结合数值模拟方法，建立了微小无铅焊 点压痕实验中载荷 -位移关系曲线与其弹塑性材料参数之间
的联系，并以幕指数本构方程的形式表征 Sn3.0Ag0.5Cu无铅
钎料的的塑性性能 [10]，如式（ 4）所示。
为了简化造型及缩短模拟时间，可考虑模型为 x 轴对称
结构，取模型 1/2 进行分析，同时忽略了摩擦的影响，认为 各组件工艺质量良好无缺陷，焊点在整个分析过程中受到均 匀的载荷， 并对组件的初始状态做理想处理 （无应力状态） 。
建立的BGA单个焊点的二维模型如图 3所示。
3 实验结果及分析 本次研究采用一次加载 -卸载的方式， 最大载荷为
200mN ；
加载速度分别为 5mN/s ， 10mN/s ，20mN/s，50mN/s ；在最 大载荷处本模
理参数如表 1 所示。 在纳米压痕实验的基础上，利 保载180s。压痕测试过程中，为了避免相邻的两个 压痕应力场的相互影响而导致数据准确度下降，即为了避免 边界效应，相邻压痕之间需保持 3 倍于压痕尺寸大小距离
[11] ，如图 4。
3.1 蠕变过程分析 选取Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.07La/Cu焊点进行压痕试验后得实
验数据进行分析，在最大载荷为 200mN，保载时间为180s，
加载间隔为0.15s的实验条件下，利用 Origin软件绘制在保
载时间内， 三种焊点在 5mN/s 的加载速度下的蠕变加速度变 化情况，如图
5 所示。
对利用有限元软件建立的 SAC305焊点模型进行同一实
验参数的模拟， 同样采用一次加载 -卸载的方式， 最大载荷为
200mN ;加载速度为5mN/s，在最大载荷处保载 180s。可以
清晰的看出在保载时间内压痕深度随着时间的延长不断加 深，即产生了较为明显的蠕变，如图 6。再通过对模拟结果
进行逆向分析可得在模拟条件下的 SAC305焊点压痕蠕变速
率-速度曲线，如图 7。
由图 5 及图 7 可知，在保载时长内，蠕变速度在蠕变发
之后很长的一段时间内，蠕变速度无限接近于 0，这表明钎
料蠕变速度最大点发生在其刚产生蠕变时，之后蠕变趋近于 不在发生，即速度接近于 0。同样，可发现在 10mN/s、20mN/s 、
50mN/s 也有相同的规律。这一现象表明了钎料的蠕变过程 是一个明显的变速过程。这是由于钎料焊点在不同应力载荷 的作用下将会发生蠕变激活过程，导致位错滑移和攀移，以 及晶界滑移的速率不同，这个过程同时伴随着热扩散过程的 不均匀性，最终导致钎料焊点蠕变速度在不同应力载荷下产 生不同的的蠕变速度且这个过程是不匀速的。
3.2 蠕变量分析
在这部分，实验过程中选取三类焊点分别在 5mN/s ，
10mN/s ，20mN/s 和 50mN/s 的加载速度下的蠕变深度变化数 据，利用
Origin 软件绘制出钎料蠕变深度与时间的关系曲线
以相同的参数添加入之前所建立的有限元焊点模型，在
相同的加载条件下进行数值模拟。同上一节一样对所得到的 数据值进行选取、 采集。在此基础上利用作图软件进行绘图。
获得载荷 -蠕变量曲线如图 9。
变量的最大值越高。而从有限元模型（图 9）可以发现越高
的加载速率实验值所产生的蠕变量越大，即从图上所表现出
来的当载荷达到最大值并保载过程中，蠕变量所形成的的平 行于 x 轴的横线长度随着加载速率的增大而由短变长。这表 明钎料的蠕变变形量随着加载速度的增加而呈现非线性加 大的趋势，焊点的蠕变程度与加载速度有关，随着加载速率 的增大，钎料的蠕变深度也依次增加。
这是由于加载速率越大，达到最大载荷的时间越短，材
料依赖时间的变形就越小，则积累的塑性变形能就越大，在 饱载弹性能释放，转变为较大的蠕变变形量 [9] 。 生时达到最大，经过一个较短时间，蠕变速度便趋向于 0，
图，采用 S 曲线拟合，所得出的曲线如图 8 所示。
由图中 8 可以直观的看出，焊点所受加载速率越大则蠕