基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测

作者:孔达;张亮;杨帆; 刊名:焊接学报 上传者:钟海青

【摘要】Anand模型采用有限元法模拟WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu-X(Ce,Fe)无铅焊点在热循环载荷条件下的应力-应变响应,借助蠕变应变疲劳寿命预测模型SnAgCu,SnAgCuCe,SnAgCuFe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-应力-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WLCSP器件SnAgCu、SnAgCuCe和SnAgCuFe三种焊点的疲劳寿命,证实了SnAgCuCe和SnAgCuFe焊点寿命明显高于SnAgCu焊点,证明了在SnAgCu中添加一定量的铈和铁可以显著提高SnAgCu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.

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第3 8卷 第4期 焊 接 学 报 Vo1.3 8 No.4 2 0 1 7 年 4 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION April 2 0 1 7 基于 Anand模型 SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测 孔 达 , 张 亮 , 杨 帆 (1.黑龙江大学 水利电力学院,哈尔滨 150080;2.江苏师范大学 机电工程学院,徐州 221116) 摘 要 :Anand模型采用有限元法模拟 WLCSP器件 Sn3.8AgO.7Cu—X(Ce,Fe)无 铅焊点 在热循 环载荷条件 下的应 力一应变响应,借助蠕变应变疲劳寿命预测模型 SnAgCu,SnAgCuCe,SnAgCuFe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 WLCSP器件 SnAgCu、SnAgCuCe和 SnAgCuFe三种焊点的疲劳寿命,证 实了 SnAgCuCe和 SnAgCuFe焊点寿命明显高于 SnAgCu焊点,证明了在 SnAgCu中添加一定量的铈和铁可以显著 提高 SnAgCu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 中图分类号 :TG 454 文献标识码 :A 文章编号 :0253—360X(2017)04一o017—05 0 序 专 SnPb钎料以其优越的性能 ,作为互连材料被 电 子行业广为应用 ,但是 Pb的毒性直接导致 SnPb钎 料被剔 出历史舞台⋯.因此无铅钎料的研究成为电 子行业 的重要课题.在诸多 的无铅钎料 中,SnAgCu 钎料 被 国际 研 究 者 推 荐 为取 代 SnPb的最 佳 选 择 .SnAgCu的组分上一般倾 向于 Ag的含量 为 3% ~4% (质量分数 ),在服役期间,焊点 内部容易析 出大块的 A Sn相和 Cu Sn 相 ,该两相金属间化合 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 l5 J. 为了实现对 SnAgCu钎料的改性 ,国内外的学者 主要采取 了合金化 (Ce,Yb,Fe,Zn等)和颗 粒增 强 (金属颗粒 、氧化物颗粒 、化合物颗粒等 )的方法.例 如 ,Dudek E6]发现 0.5%的稀土元素 (Ce,Y,La)可以 减小 SnAgCu组织 中树枝 晶的长度和间距 ,Cu6Sn5 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 Er, 可以显著提高 SnAgCu钎料 的润湿性和剪切力 ,细化 钎料基体组织 ,减 小 内部金属 间化合物 颗粒尺 寸. 张亮等人 选择添加纳米铝颗粒 ,证实了颗粒添加 范围控制在 0.1%附近时,钎料 内部组织得 到明显 收稿 日期 :2017—04—05 基金项 目:国家 自然科 学基 金资助 项 目(51475220);新型 钎焊材 料 与技术 国家 重 点 实 验室 开 放 课 题 (郑 州 机 械研 究 所 ) (SKLABFMT一2015—03) 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 SnAgCu系无 铅钎料 的研究 成果 日益增多 ,但是新 型无铅钎料的研究成果结合 电子器件的实际研究成果较少. 选择 SnAgCu,SnAgCuCe和 SnAgCuFe三种 钎 料 ,结合 WLCSP 6×6器件 ,采用有

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