SMT低银无铅焊点在机械振动载荷下的失效研究.pdf
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1、国内图书分类号:T G 4 5 4工学硕士学位论文S M T 低银无铅焊点在机械振动载荷下的失效研究硕士研究生:张洪武导师:孙凤莲申请学位级别:工学硕士学科、专业:材料加工工程所在单位:材料科学与工程学院答辩日期:2 0 11 年3 月授予学位单位:哈尔滨理工大学似C l a s s i f i e dI n d e x:T G 4 5 4I I I I IIr lJ I IIri l lI I IIP l l JY 2 0 12 5 0 1D i s s e r t a t i o nf o rt h eM a s t e rD e g r e ei nE n g i n e e r i n
2、 gF a i l u r eR e s e a r c hS o l d e rJ o i n to nc a n d i d a t e:S u p e r v i s o r:o fS M TL o w Ad e rM e c h a n i c a lL o a d i n ggL e a d-f r e eV i b r a t i o nZ h a n gH o n g w uS u nF e n g l i a nA c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r:M a s t e ro fE n g i n e e r i n gS p
3、e c i a l t y:M a t e r i a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n gD a t eo f0 r a lE x a m i n a t i o n:M a r c h,2 011U n i v e r s i t y:H a r b i nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文S M T 低银无铅焊点在机械振动载荷下的失效研究,是本人在导师指导下,在哈尔滨理工大学攻读硕士学位
4、期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。储签名:孤坎武日期:动,年弓月吕日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书S M T 低银无铅焊点在机械振动载荷下的失效研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权哈
5、尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口,在年解密后适用授权书。不保密团。(请在以上相应方框内打)作者签名:导师签名:鬻趋n一一1 洲讯心。日期:2 c)J 年弓月,容日E t 期汹7 J 年弓月g 日哈尔演理T 人学下学硕f j 学位论文S M T 低银无铅焊点在机械振动载荷下的失效研究摘要随着便携式电子产品的广泛应用,其内部元器什的服役条件日益严峻,互连微焊点的失效包括温度引发的热应力和组织恶化,电迁移引发的空洞和裂纹焊点在服役中由于振动、冲击等引发的组织损伤和断裂也是导致微焊点失效的主要因素之一。本文根据相关振动标准,设计了
6、S M T 振动实验板进行加速失效试验,采用自主设计的失效过程采集系统对焊点失效进行实时监测,通过失效处理再现了焊点失效过程、结合微观组织分析了焊点失效模式,归纳总结了焊点在振动载荷下的失效规律。研究表明:通过设计焊点分压电路和虚拟测试平台,该数据采集系统可通过对数据的筛选、显示、存储和分析等步骤,准确有效的实时采集微焊点在高应变速率载荷下的数据,并高速智能的记录微焊点裂纹的产生、扩展及失效过程,为后续的数据分析提供了有力保证。研究表明:在机械振动载荷条件下,焊点受交变应力作用,其服役过程分为四个阶段:第一阶段为稳定服役期,此阶段焊点并未形成宏观裂纹,而是经历了较长的微观损伤积累过程,此过程焊
7、点受到高应变速率载荷作用,内部组织处于较高应力水平;第二阶段为宏观裂纹形成扩展期,待焊点微观损伤及应力水平达到裂纹形成的临界条件时,裂纹瞬间产生迅速扩展,2 秒内焊点断裂面积便达到5 0 以上;第三阶段为失效裂纹稳定扩展期,在经历第二阶段裂纹迅速产生及扩展后,焊点进入相对稳定的缓慢扩展期,断裂面积将短暂驻留并缓慢扩展;第四阶段为焊点完全失效期,待焊点断裂面积达到8 5 以上便迅速扩展至完全断裂。在机械振动条件下,产生的交变应力使焊点往复拉压,B G A 器件最外围两侧焊点受到较高的拉应力,导致该位置焊点优先出现裂纹并失效;焊点裂纹产生在体钎料与金属间化合物界面处,由于高应变速率载荷的作用,产生
8、的高应力水平促使裂纹扩展并突然断裂,符合脆性断裂失效模式特点。开发低银无铅钎料已成为当今一个必然趋势。本文以S A C 0 7 0 5 为基体合金,研究添加微量的I n、B i 和N i 元素对基体合金熔点、润湿性的影响规律并通过对比分析结果,选出最佳合金配比。研究表明:I n 元素的添加显著降低S n 一0 7 A g 0 5 C u 钎料合金的熔点,且随着I n 含量的逐渐增加,钎料合金的熔点逐渐降低,熔程变大;I n 元素的添哈尔滨理T 人学T 学颁I j 学化论史加,显著改善了S n 0 7 A g 一0 5 C u 钎料合金的润湿性能,综合考虑钎料的合金熔点和润湿性,S n 0 7
9、A g 0 5 C u 1 5 I n 钎料合金具有较好的焊接性能。同时添加B i 和N i 元素,降低了S n 0 7 A g 一0 5 C u 钎料合金的熔点,熔程变大;适当的添加B i 和N i 的含量,改善钎料的润湿性能,综合考虑钎料的熔点和润湿性,S n-0 7 A g 0 5 C u-0 0 5 N i 一3 5 B i 钎料合金具有较好的焊接性能。关键词机械振动;数据采集;裂纹扩展;熔点;润湿性I I哈尔滨理T 人。T 学硕f:学化论文F a i l u r eR e s e a r c ho fS M TL o w-A gL e a d f r e eS o l d e rJ
10、o i n tu n d e rM e c h a n i c a lV i b r a t i o nL o a d i n gA b s t r a c tW i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s,s e r v i c ec o n d i t i o no fi n n e rc o m p o n e n to fe l e c t r o n i cp r o d u c t sb e c o m em o r ea
11、 n dm o r er i g o r o u s F a i l u r eo fi n t e r c o n n e c t e ds o l d e ri sn o to n l yd u et ot h e r m a ls t r e s sa n dm i c r o s t r u c t u r ed e t e r i o r a t i n gc a u s e db yt e m p e r a t u r ea n dv o i dc r a c kc a u s e db ye l e c t r o n i cm i g r a t i o n,b u ta l
12、 s om e c h a n i c a lv i b r a t i o na n ds h o c kl e a d i n gt om i c r o s t r u c t u r ed a m a g ea n df r a c t u r e S ov i b r a t i o na n ds h o c kh a v eb e c o m eg r a d u a l l yam a i nf a c t o ri nt h ep r o c e s so ff a i l u r eo fs o l d e rj o i n t B a s e do nr e l a t
13、e dv i b r a t i o ns t a n d a r di nt h ep a p e r,w en o to n l yd e s i g n e dS M Tv i b r a t i o ne x p e r i m e n tb o a r db u ta l s om a d ea c c e l e r a t e df a i l u r et e s tw i t hs e l f-d e s i g n e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mm o n i t o r i n gf a i l u r ep r o
14、c e s so fs o l d e rj o i n t M o r e o v e r,f a i l u r ep r o c e s s,f a i l u r em o d ea n df a i l u r el a wo fs o l d e ri o i n tw e r es t u d i e di nt h ep a p e ru n d e rv i b r a t i o nl o a d i n gb ya n a l y z i n gc r o s s s e c t i o no ff a i l e ds o l d e rj o i n ta n dp
15、r o c e s s i n gd a t a s T h er e s e a c hs h o w e dt h a t:S o l d e rj o i n tv o l t a g ed i v i s i o nc i r c u i ta n dv i s u a lt e s tp l a t f o r ma r ed e s i g n e di nt h ep a p e r T h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mr e a l t i m e l yc o l l e c t sd a t aw h i c hi sa
16、f f e c t e db yh i g hs t r a i n r a t el o a d i n ge f f e c t i v e l ya n dp r e c i s e l yt h r o u g hs e l e c t i n g,d i s p l a y i n ga n ds t o r i n gd a t a A tt h es a m et i m e,c r a c ki n i t i a t i o n,p r o p a g a t i o na n df a i l u r ep r o c e s sa r er e c o r d e di
17、n t e l l i g e n t l y,p r o v i d i n gs t r o n gg u a r a n t yf o ra n a l y z i n gd a t as u b s e q u e n t l y T h er e s e a r c hs h o w e dt h a t:T h es o l d e rj o i n t sw e r ea f f e c t e db ya l t e r n a t i v es t r e s s,a n di t ss e r v i c ep r o c e s sw a sd i v i d e di
18、n t of o u rs t a g e su n d e rt h e c o n d i t i o no fm e c h a n i c a lv i b r a t i o nl o a d i n g T h ef i r s ts t a g ew a sas t a b l es e r v i c ep e r i o da n dt h i ss t a g ea c c o u n t sf o ra b o u th a l fs o l d e rj o i n tl i f e t i m e I nt h i ss t a g e,t h es o l d e
19、rj o i n t sd i dn o ti n i t i a t em a c r o s c o p i cc r a c k s,b u te x p e r i e n c e dal o n gp r o c e s so fm i c r o-d a m a g ea c c u m u l a t i o n H i g h e rs t r e s sl e v e lw a sg e n e r a t e di nt h ei n t e m a lo r g a n i z a t i o no fs o l d e rj o i n t sb e c a u s e
20、s o l d e rj o i n t sw e r ea f f e c t e db yh i g hs t r a i n r a t el o a d i n g T h es e c o n ds t a g ei st h ef o r m i n ga n de x p a n d i n gs t a g eo fm a c r o s c o p i cc r a c k s T h ec r a c kd i dn o tI I I哈尔滨理T 人学T 学硕f|-学化论支i n i t i a t ea n dp r o p a g a t er a p i d l yu
21、n t i lm i c r o s c o p i cd a m a g ea n ds t r e s sl e v e lo fs o l d e rj o i n t sa c h i e v e dt h ec r i t i c a lc o n d i t i o no fc r a c ki n i t i a t i o n T h ec r a c ka r e ap e r c e n t a g er e a c h e dt om o r e5 0 q u i c k l yi nt w os e c o n d s T h et h i r dp h a s ei
22、st h es t e a d yp r o p a g a t i n gs t a g eo ft h ef a i l u r ec r a c k A f t e rc r a c kr a p i d l yf o r m a t i o na n dp r o p a g a t i o ni nt h es e c o n ds t a g e,t h es o l d e rj o i n t sc a m ei n t ot h er e l a t i v e l ys t a b l ep e r i o do fs l o we x p a n s i o n T h
23、ec r a c ka r e as t a y e dt e m p o r a r i l ya n dp r o p a g a t e ds l o w l y,t h i sp r o c e s sa c c o u n t e df o ra b o u th a l fs o l d e ri o i n t sl i f e t i m e T h ef o u r t hs t a g ei St h et o t a lp e r i o df a i l u r eo fs o l d e rj o i n t s T h ec r a c ko fs o l d e
24、rj o i n t sw i l ln o te x p a n dt of u l lo p e nr a p i d l yu n t i lt h ec r a c ka r e ap e r c e n t a g er e a c h e dt om o r e8 5 U n d e rm e c h a n i c a lv i b r a t i o nc o n d i t i o n,a l t e r n a t i v es t r e s sm a d es o l d e rj o i n tp r e s s e da n dp u l l e dr e p e
25、a t e d l y T w os i d e ds o l d e rj o i n t so fB G Ac o m p o n e n ta r ea f f e c t e db yh i g h e rt e n s i l es t r e s sl e a d i n gt oc r a c ki n i t i a t i o na n df a i l u r eo fs o l d e rj o i n t si na d v a n c ec o m p a r e dw i t ho t h e rs o l d e rj o i n t s C r a c ki s
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- SMT 低银无铅焊点 机械振动 载荷 失效 研究
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