封裝錫合金焊料Ⅰ型斷裂特性的實(shí)驗(yàn)研究

李英梅， 王超杰， 李 東

(東北大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

五十多年來(lái)，錫鉛焊料以其優(yōu)越的性能和低廉的價(jià)格廣泛使用于電子封裝結(jié)構(gòu)中，但由于金屬鉛的毒性，也形成了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題.為此，從2006年開(kāi)始，歐盟、中國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，陸續(xù)出臺(tái)法律，禁止在電子封裝結(jié)構(gòu)中再使用含鉛焊料，焊料無(wú)鉛化成為不可避免的趨勢(shì)[1-3].目前無(wú)鉛焊料主要有SnAg系、SnCu系、SnZn系和SnAgCu系等，其中，Sn-Ag-Cu三元合金，具有熔點(diǎn)低、浸潤(rùn)性好、抗熱疲勞等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為無(wú)鉛焊料的主流標(biāo)準(zhǔn)焊料[1,4].但由于其熔點(diǎn)高出錫鉛焊料30 ℃左右，仍然會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)所需焊接溫度升高，能耗增大，出現(xiàn)更多的失效，如分層，開(kāi)裂現(xiàn)象等[5].

在溫度、跌落和沖擊等載荷的作用下，封裝結(jié)構(gòu)的主要失效形式是焊點(diǎn)開(kāi)裂.目前，斷裂力學(xué)理論和方法是研究焊料失效的主要研究方向，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都從能量平衡觀點(diǎn)出發(fā)，以能量釋放率視為基本參量來(lái)研究裂紋的擴(kuò)展規(guī)律.G. Fernlund 和J.K. Spelt[6]由單一均質(zhì)的雙懸臂梁試件進(jìn)行分析，應(yīng)用基本梁理論和柔度法推導(dǎo)出帶黏性層的雙臂梁試件I-II混合型的能量釋放率計(jì)算公式；邵卓平、任海青和江澤慧[7]通過(guò)對(duì)杉木I型TL裂紋體的研究，得到了柔度試驗(yàn)標(biāo)定曲線的解析表達(dá)式，由此可計(jì)算柔度隨裂紋長(zhǎng)度的變化率，為計(jì)算裂紋長(zhǎng)度提供了方法；Siva P.V. Nadimpalli 和Jan K. Spelt[8-10]推導(dǎo)出帶黏性層的雙臂梁試件I-II混合型的能量釋放率計(jì)算公式，研究了焊料斷裂曲線的影響因素；Jiang Zhengwen及其合作者[11]在對(duì)玻璃鋼雙懸臂梁試件黏結(jié)層I型斷裂韌度和非均勻性測(cè)定研究中也涉及到了雙懸臂梁試件I型斷裂能量釋放率的公式推導(dǎo)及計(jì)算.

本文選用錫鉛焊料Sn63Pb37和無(wú)鉛焊料Sn3Ag0.5Cu(簡(jiǎn)記為SAC305)，利用德國(guó)Zwick萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)及其配套非接觸式攝像引伸計(jì)，使用自制的聯(lián)動(dòng)夾具，采用銅-焊料-銅雙懸臂梁焊接試件，在單一加載速率條件下，進(jìn)行常溫條件下的I型斷裂實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)焊料的斷裂性能，對(duì)比計(jì)算了兩種焊料的I型能量釋放率GIc.

1 SAC305的雙懸臂梁I型斷裂實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中，采用銅-焊料-銅雙材料雙懸臂梁試件(如圖1所示)，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4161-84《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[12]，進(jìn)行型斷裂實(shí)驗(yàn).

圖1 試件示意圖Fig.1 Schematic specimen

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

表1為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用到的儀器設(shè)備名稱(chēng)、型號(hào)或規(guī)格及其相關(guān)注意事項(xiàng).

表1 儀器設(shè)備名稱(chēng)、型號(hào)或規(guī)格及其備注

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)試件準(zhǔn)備

首先，將紫銅板切割成規(guī)定尺寸的試件，長(zhǎng)度100 mm，寬度10 mm，厚度10 mm，加載點(diǎn)圓孔直徑為4 mm，如圖1所示；然后，依次用400#，600#，800#，1000#，1200#，1600#，2000#的砂紙打磨銅件需要焊接的表面，以求能達(dá)到可焊接的表面粗糙度(商用印刷電路板的表面粗糙度為Ra=0.95 μm)；用自來(lái)水徹底清洗銅件，并用紗布擦拭干凈，以保證銅件各個(gè)面尤其是焊接面光亮無(wú)污染；最后，在銅件焊接面不需要焊接的部分用防焊膠帶粘貼覆蓋，以保證初始裂紋長(zhǎng)度和焊料層長(zhǎng)度，單層防焊膠帶的厚度為100 μm，在雙懸臂梁的上下兩銅件焊接面的非焊接區(qū)域各粘貼2層防焊膠帶即可保證中間的焊料層為400 μm.

(2)試件焊接

參考文獻(xiàn)[9]中的焊接溫度歷程，現(xiàn)將在打磨好的銅件焊接區(qū)域上均勻涂抹焊料焊膏,將環(huán)境箱升溫至焊接溫度(錫鉛焊料210～215 ℃，無(wú)鉛焊料為240～245 ℃)，焊膏的最佳熔融時(shí)間為30～40 s，保溫10 min，隨后再以1.4～1.6 ℃/s的速度給試件降溫到室溫.

(3)實(shí)驗(yàn)夾具

傳統(tǒng)的夾具多為下端夾頭固定，上端夾頭通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單向拉伸，但傳統(tǒng)的拉伸實(shí)驗(yàn)夾具并不能實(shí)現(xiàn)雙懸臂梁試件兩側(cè)對(duì)稱(chēng)加載的I型斷裂實(shí)驗(yàn)，以及后續(xù)研究需要用到的I-II混合型斷裂實(shí)驗(yàn)夾具.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對(duì)傳統(tǒng)拉伸實(shí)驗(yàn)夾具進(jìn)行了改造，制造了如圖2所示的聯(lián)動(dòng)夾具，可實(shí)現(xiàn)在Zwick試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行雙懸臂梁I型斷裂實(shí)驗(yàn)的加載要求.

(4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程，控制夾頭的移動(dòng)速度為0.01 mm/min.同時(shí)用實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的溫箱控制溫度和聯(lián)動(dòng)夾具，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]分別在25 ℃溫度條件下對(duì)無(wú)鉛焊料雙懸臂梁試件進(jìn)行I型斷裂加載.

(5)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算

通過(guò)非接觸式引伸計(jì)記錄裂紋張開(kāi)位移，如圖3(b)所示.

(6)結(jié)果分析

將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到加載點(diǎn)位移-載荷曲線并分析溫度的影響.

圖2 聯(lián)動(dòng)夾具及加載Fig.2 Linkage jig and the load

圖3 實(shí)驗(yàn)主要流程Fig.3 The main process of the test(a)—數(shù)據(jù)采集; (b)—監(jiān)測(cè)并記錄加載點(diǎn)位移; (c)—試件斷裂

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

SAC305焊料的常溫?cái)嗔褜?shí)驗(yàn)條件與加載如表2所示.

圖4是兩種焊料雙懸臂梁試件的載荷-張開(kāi)位移曲線.從圖中可以看出，曲線有明顯的三個(gè)階段：線性段OA(OA′)、強(qiáng)化段AB(A′B′) 和下降段BC(B′C′).與錫鉛焊料相比，無(wú)鉛焊料有相對(duì)平緩的下降段.錫鉛焊料的開(kāi)裂載荷約為最大載荷的90%左右，而無(wú)鉛焊料的為80%，與文獻(xiàn)[8,9,13]結(jié)果一致.表3給出了焊料試件的斷裂載荷的匯總結(jié)果.

表2 選取的試樣及測(cè)試條件

圖4 雙懸臂梁試件載荷-加載點(diǎn)位移曲線 Fig.4 Loading-pin displacement of DCB specimen

材料溫度/℃開(kāi)裂載荷Fif/N最大載荷Pmax/N Sn63Pb37試件251170±401300±50SAC305試件1200±401400±100

3 能量釋放率GIc的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，基于彈性基礎(chǔ)的梁理論和柔

度法，雙材料雙懸臂梁試件的I型能量釋放率的計(jì)算公式為:

(1)

式中：E為基底材料銅的彈性模量；a為裂紋長(zhǎng)度；P為單位寬度的載荷；ΦI為修正參數(shù)，其定義為

-1)}]0.25

(2)

式中：Ea為焊料的彈性模量；t，h含義如圖1所示.

圖5、圖6分別給出了根據(jù)柔度法計(jì)算得到的兩種焊料的能量釋放率-裂紋長(zhǎng)度曲線.從圖中可以看出，兩種焊料的初始能量釋放率GIci基本相同，初始裂紋長(zhǎng)度為30 mm時(shí)為900 N/m，初始裂紋長(zhǎng)度會(huì)使焊料的GIci有所降低.在裂紋擴(kuò)展階段，錫鉛焊料能量釋放率的變化呈極值型，能量釋放率的最大值GImax為初值的1.6倍；而這一階段無(wú)鉛焊料SAC305的能量釋放率呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)至飽和值的狀態(tài)，其飽和值為初值的2.5倍左右，表現(xiàn)出更好的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，這一特性與已有文獻(xiàn)[8,9]的結(jié)論相符合.表4給出了焊料的能量釋放率的匯總結(jié)果.

圖5 Sn63Pb37焊料的能量釋放率曲線Fig.5 Energy release rate curves of Sn63Pb37 solder(a)—a0=30 mm; (b)—a0=40 mm

圖6 SAC305焊料的能量釋放率曲線Fig. 6 Energy release rate curves of SAC305 solder(a)—a0=30 mm; (b)—a0=40 mm

試件類(lèi)型初始裂紋長(zhǎng)度a0/mmGIci/(N·m-1)亞臨界裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度/mmGIcmax或GIcs(N·m-1)SAC305試件3040900±50800±508±210±22400±1001900±100Sn63Pb37試件3040900±50800±508±212±21400±1001300±100

4 結(jié) 論

(1)錫鉛焊料Sn63Pb37和無(wú)鉛焊料SAC305的I型斷裂裂紋擴(kuò)展過(guò)程均為三個(gè)階段：未開(kāi)裂段、亞臨界擴(kuò)展階段段和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段.臨界開(kāi)裂點(diǎn)載荷約為最大載荷的80%～90%左右.

(2)雖然兩種焊料的開(kāi)裂載荷相差不多，但無(wú)鉛焊料SAC305的最大載荷要比錫鉛焊料Sn63Pb37的最大載荷高10%左右.

(3)錫鉛焊料Sn63Pb37和無(wú)鉛焊料SAC305的I型初始能量釋放率GIci基本相同，均為800～900 N/m，初始裂紋長(zhǎng)度會(huì)使焊料的GIci有所降低.

(4)無(wú)鉛焊料SAC305能量釋放率呈線性增長(zhǎng)至飽和值的變化狀態(tài)，其最大值為初值的2.5倍左右，比錫鉛焊料能量釋放率最大值高50%～70%，表現(xiàn)出更好的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力.