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镀层与SnAgCu焊膏的界面反应对焊点可靠性的影响

作　者: 周鹏
导　师: 蒋廷彪
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 无铅镀覆层金属间化合物跌落温度循环
分类号: TN05
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 34次
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内容摘要

无铅时代的到来使得无铅产品的可靠性研究显得越来越重要，多种不同封装材料的介入使得无铅电子结构中的界面反应变得更为复杂，但是针对无铅焊料与不同材料体系的组合的可靠性研究，特别是针对不同镀覆层与焊料之间的研究，国内外的相关报道都很少。本文通过实验对无铅焊点的失效机理进行分析，探究不同PCB板镀覆层与SnAgCu焊料组合对焊点可靠性的影响，主要研究内容如下：1.选用SBGA元器件和应用范围比较广泛的镀覆层（ENIG、OSP、HASL、Im-Ag），与常用Sn3.0Ag0.5Cu焊膏组合成样品，作为对比，同时还选用了Sn37Pb焊膏，对样品进行跌落和温度循环条件下的可靠性测试。试验后通过对样品进行X-ray检测、染色实验和金相微观分析来观察不同样品在不同测试环境下的可靠性表现，对它们的失效模式和失效机理进行分析和探讨。2.利用有限元分析软件ANSYS模拟评估样品在温度循环负载下的可靠性水平，并预测了样品在温度循环条件下的疲劳寿命，针对不同厚度的IMC层对焊点可靠性的影响进行了探讨，结合实验进行对比分析。研究结果表明：（1）在跌落测试中，使用OSP镀覆层的样品可靠性优于ENIG和HASL样品，而在温度循环测试中，使用ENIG镀覆层的样品可靠性好于OSP和HASL样品，两种测试条件下，Im-Ag样品的可靠性表现都很差。（2）通过与SnPb样品的对比发现，ENIG样品在使用无铅焊料SnAgCu焊接时的跌落可靠性优于SnPb焊料，而其它三种样品则相反；四种镀覆层的SnAgCu样品在温度循环时的失效率都要低于SnPb样品。（3）对比样品在跌落和温度循环下的可靠性表现，发现相同样品在两种测试条件下的表现和断裂模式都是不同的。（4）通过模拟发现在温度循环时的焊点总应变变化中，塑性应变处于主导地位，对不同IMC层厚度的失效危险点进行疲劳寿命预测后发现过厚的IMC层确实对焊点的耐热可靠性造成一定影响。论文的研究结果对焊点失效分析工作具有重要的指导意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-16
  1.1 课题研究背景和意义  7-12
    1.1.1 电子产品无铅化的发展趋势  7-8
    1.1.2 无铅焊料的发展  8-10
    1.1.3 无铅工艺的转变  10-12
  1.2 课题的研究现状  12-14
    1.2.1 无铅焊点的可靠性问题  12-13
    1.2.2 课题研究现状  13-14
  1.3 论文的主要研究内容与方法  14-15
  1.4 本章小结  15-16
第二章无铅封装中的界面反应  16-21
  2.1 Sn Ag Cu 焊料与Cu 的液态反应  16-17
  2.2 Sn Ag Cu 焊料与Cu 的固态反应  17-18
  2.3 Sn Ag Cu 焊料与Cu 的反应产物  18-19
  2.4 Sn Ag Cu 焊料与Ni 的反应  19-20
  2.5 本章小结  20-21
第三章 SBGA 组合焊点的跌落可靠性  21-32
  3.1 实验设计  21-24
    3.1.1 实验样品介绍  21-23
    3.1.2 实验方法  23-24
  3.2 实验结果  24-26
    3.2.1 染色实验结果  24-25
    3.2.2 金相观察结果  25-26
    3.2.3 失效焊点统计结果  26
  3.3 实验结果分析与讨论  26-31
    3.3.1 染色实验结果分析  27-28
    3.3.2 金相实验结果分析  28-29
    3.3.3 综合讨论  29-31
  3.4 本章小结  31-32
第四章 SBGA 组合焊点的温度循环可靠性  32-43
  4.1 实验设计  32-33
    4.1.1 实验样品介绍  32
    4.1.2 实验方法  32-33
  4.2 实验结果  33-37
    4.2.1 X-ray 检测结果  33-34
    4.2.2 金相观察结果  34-37
    4.2.3 失效焊点统计结果  37
  4.3 实验结果分析与讨论  37-41
    4.3.1 X-ray 检测结果分析  37-38
    4.3.2 金相结果分析  38-39
    4.3.3 综合讨论  39-41
  4.4 温度循环和跌落测试下可靠性的对比  41
  4.5 本章小结  41-43
第五章焊点可靠性的有限元分析  43-58
  5.1 ANSYS 软件在焊点可靠性评估中的应用  43-45
  5.2 有限元模型的建立  45-50
    5.2.1 有限元模型几何尺寸  45-46
    5.2.2 单元类型选择和材料属性定义  46-49
    5.2.3 网格划分和边界条件定义  49
    5.2.4 温度循环加载  49-50
  5.3 有限元计算结果与分析  50-54
    5.3.1 有限元计算结果  50-52
    5.3.2 有限元计算结果分析  52-54
  5.4 关键点的热疲劳寿命预测  54-57
    5.4.1 热疲劳寿命预测方程  54-55
    5.4.2 关键点的热疲劳寿命预测  55-57
  5.5 本章小结  57-58
第六章总结与展望  58-62
  6.1 论文总结  58-60
  6.2 论文的主要创新点  60
  6.3 进一步研究的展望  60-62
参考文献  62-67
附录有限元分析APDL 文件  67-77
致谢  77-78
作者在攻读硕士期间主要研究成果  78

镀层与SnAgCu焊膏的界面反应对焊点可靠性的影响

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