焊 接 学 报
Ｔ Ｒ ＡＮＳ ＡＣ Ｔ Ｉ Ｏ ＮＳ ＯＦ Ｔ ＨＥ Ｃ ＨＩ ＮＡ ＷＥ Ｌ ＤＩ Ｎ Ｇ Ｉ ＮＳ Ｔ Ｉ Ｔ ＵＴ Ｉ ＯＮ
Ｖ ｏ １ ． ３ ８ Ｎ ｏ ． ４
Ａ ｐ ｒ ｉ ｌ ２ ０ １ ７
计 算 焊点 的疲 劳 寿命 ． 择 ．Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ的组分 上 一 般 倾 向 于 Ａ ｇ的含 量 为 结合 焊点疲 劳 寿命预 测模 型 ， ３ ％～ ４ ％（ 质量 分数 ） ， 在 服役 期 间 ， 焊点 内部 容易 析 分析 结果 为新 型无铅 钎料 研发 和无 铅焊 点 可靠 性 的 出大 块 的 Ａ Ｓ ｎ相 和 Ｃ ｕ Ｓ ｎ 相， 该 两 相金 属 间 化合 评估 提供 数据 支撑 ． 物均 为脆 性相 ， 服役 期 间极 易成 为裂 纹 的萌 生 源 ， 导 致 焊点 早期失 效 ｌ ５ Ｊ ． 为 了实 现对 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ 钎 料 的改性 ， 国 内外 的学 者 主要 采 取 了合 金 化 （ Ｃ ｅ ， Ｙ ｂ ， Ｆ ｅ ， Ｚ ｎ等 ） 和颗 粒增 强 如， Ｄ ｕ ｄ ｅ ｋ Ｅ ６ ］ 发现 ０ ． ５ ％ 的稀 土元 素 （ Ｃ ｅ ， Ｙ， Ｌ ａ ） 可 以
整个 电子 器 件 为 中心 对称 结 构 ， 对 器件 和 Ｐ Ｃ Ｂ
钎料 基 体 组 织 ， 减 小 内部 金 属 间 化 合 物 颗 粒 尺 寸．
板 的 中 心节 点 施 加 ｘ ｙ ｚ三 个 方 向的零 位 移 约束 ， 对
张亮 等 人 选择 添 加纳米 铝 颗粒 ， 证 实 了颗粒 添 加 应切 面施 加垂 直方 向的约 束 ．对 电子器 件 施加 温 度 范 围控 制 在 ０ ． １ ％附近时， 钎 料 内部 组织 得 到 明 显 循 环 载荷 ， 温 度 范 围［ １ ０ ， １ １ ３ 为： ２ １ ８～ ３ ９ ８ Ｋ， 升、 降温的
基于 Ａ ｎ ａ ｎ ｄ模 型 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃｕ － Ｘ焊 点疲 劳 寿 命 预 测
孔 达 ， 张 亮 ， 杨 帆
２ ２ １ １ １ ６ ） （ １ ．黑龙 江大学 水利 电力学 院， 哈尔滨
摘
１ ５ ０ ０ ８ ０ ； ２ ．江苏师 范大学 机 电工程学院 ， 徐州
要 ：Ａ ｎ ａ ｎ ｄ模 型 采 用 有 限 元 法 模 拟 ＷＬ Ｃ Ｓ Ｐ器 件 Ｓ ｎ ３ ． ８ Ａ ｇ Ｏ ． ７ Ｃ ｕ — Ｘ（ Ｃ ｅ ， Ｆ ｅ ） 无 铅 焊 点 在 热 循 环 载 荷 条 件 下 的 应
模 型如 图 ２所 示 ．
（ 金 属颗 粒 、 氧化物 颗粒 、 化 合物 颗粒 等 ） 的方法 ．例 计算 结果 更 为 准确 ， 对 焊 点 部 分采 用 自由划 分 网格
颗粒 的尺寸也 明显 减 小 ， 另 外 在 钎 料 内部 发 现 明 显 的稀 土 相．郝 虎 选 择 添 加 一 定 量 的稀 土元 素 Ｅ ｒ ， 可 以显 著提 高 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ钎料 的润湿性 和剪 切力 ， 细 化
但 是新 型无 铅 钎 料 的 研 究成 果 结 合 Ｓ ｎ Ｐ ｂ钎 料 以其优 越 的性 能 ， 作 为 互 连材 料 被 电 成 果 日益增 多 ， 子行业 广 为应 用 ， 但是 Ｐ ｂ的毒 性 直 接 导 致 Ｓ ｎ Ｐ ｂ钎 电子 器件 的实 际研究 成果 较少 ． 料被剔 出历史 舞 台… ．因此无 铅 钎 料 的研 究 成 为 电
选择 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ ， Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｃ ｅ和 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｆ ｅ三 种 钎
结 合 ＷＬ Ｃ Ｓ Ｐ ６×６器 件 ， 采 用 有 限元 法 ， 基 于蠕 子行业 的重 要课 题 ．在 诸 多 的无 铅 钎 料 中 ， Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ 料， 计算 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ ． Ｘ焊 点应 力 一 应变响应 ， 钎料 被 国际 研 究 者 推 荐 为取 代 Ｓ ｎ Ｐ ｂ 的 最 佳 选 变本 构方 程 ，
减小 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ组织 中树 枝 晶的 长 度 和 间距 ，Ｃ ｕ ６ Ｓ ｎ ５
１ 模 型 的构 建 及 材 料 选 择
采用 Ｖ Ｉ Ｓ Ｃ Ｏ１ ０ ７构 建 焊 点模 型 ， 为 了使 焊 点 的 方法 ．采用 Ｓ Ｏ Ｌ Ｉ Ｄ Ｉ ８ ６单 元 和 扫 略 网 格 划 分 方 法 构 建 ＷＬ Ｃ Ｓ Ｐ ６× ６器 件 的整 体 有 限元 模 型 ．整 体 结 构 四分 之一 有 限元模 型如 图 １所 示 ．焊点 阵 列有 限元
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｇ ４ ５ ４ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： ０ ２ ５ ３— ３ ６ ０ Ｘ（ ２ ０ １ ７ ） ０ ４一 ｏ ０ １ ７— ０ ５
０ 序
专
的细 化 ， 树枝 晶间距 明显减 小 ， 界面金 属 间化 合 物尺 寸得 到 明显 抑 制 ．对 于 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ系无 铅钎 料 的研 究
力一 应 变响应 ， 借助蠕变应变疲劳寿命预测模 型 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ ， Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｃ ｅ ， Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｆ ｅ焊点疲劳 寿命 ．结果 表 明， 在 服役器 件整体器件 出现 明显 的变形现象 ， 电路板翘 曲严重．从 中心到拐角 焊点变形 一 应力 一 应变逐 渐增加 ， 芯 片下 拐角焊 点成为整个结构潜在 的危 险区域．通过计算 ＷＬ Ｃ Ｓ Ｐ器件 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ 、 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｃ ｅ和 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｆ ｅ 三种焊点的疲劳寿命 ， 证 实了 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｃ ｅ 和 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ Ｆ ｅ 焊点 寿命 明显 高于 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ焊 点 ， 证 明了在 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ中添 加一定量 的铈 和铁可 以显著 提高 Ｓ ｎ Ａ ｇ Ｃ ｕ焊点 的使用寿命 ， 分析结果为新型无铅钎料的研发提供理论支撑． 关键词 ： 蠕变模型 ；无铅焊点 ；应力 一 应变 ；疲 劳寿命