无铅焊料的热疲劳特性

无铅焊料研究报告综述无铅焊料是一种对环境友好且高效的焊接材料。

本文将综述无铅焊料的研究报告，涵盖其背景、特性、应用和发展趋势。

总体而言，无铅焊料是一种有希望替代传统铅基焊料的焊接技术。

1.背景无铅焊料的研发是为了减少对环境的污染。

传统的铅基焊料含有大量的铅，当焊接过程中铅被释放到环境中时，对人体健康和环境造成了潜在的危害。

为了保护人类和环境的健康，全球范围内开始研发无铅焊料。

2.特性无铅焊料具有一系列优点。

首先，无铅焊料在高温下的性能比传统铅基焊料更好，可以在更高的温度下进行焊接，提高了焊接的质量和可靠性。

其次，无铅焊料不会产生有毒的铅蒸汽，避免了对工人和环境的污染。

此外，无铅焊料还具有较低的成本和更长的寿命，使其变得更加可行和具有竞争力。

3.应用无铅焊料广泛应用于电子产品的制造过程中。

例如，它可以用于手机、电脑、电视和其他电子设备的电路板的焊接。

无铅焊料还可用于汽车制造、航空航天、医疗器械和其他领域的焊接。

4.发展趋势无铅焊料的研究和应用仍在不断发展。

研究人员正在寻找更好的无铅焊料配方，以提高其性能和可靠性。

此外，随着全球对环境保护要求的提高，无铅焊料将会得到更广泛的应用。

目前，一些国家已经颁布了禁止使用铅基焊料的法律和法规，促使了无铅焊料的市场需求。

总结起来，无铅焊料是一种有希望替代传统铅基焊料的焊接技术。

它具有环境友好、高效和广泛应用的特点。

随着全球对环境保护意识的提高，无铅焊料的研究和应用将会得到更大的关注和发展。

浅析无铅焊接工艺技术
无铅焊接工艺技术是当前电子行业追求环保的重要举措之一，它是用无铅焊料代替传统的含铅焊料来进行电子组件的连接。

无铅焊接技术的使用有以下几个优点：
1. 健康环保：含铅焊料可能会对健康和环境造成污染，但是无铅焊料的使用就减少了铅对环境的污染和对人体的伤害。

2. 耐热性：无铅焊料的耐热性能更高，能够满足现代电子元件的高温需求。

3. 焊点强度：无铅焊料的焊点强度更好，能够满足现代电子设备各种复杂形状的连接要求。

无铅焊接工艺技术具体包括以下几个方面：
1. 焊接温度的控制
无铅焊料的熔点比含铅焊料高，因此在使用无铅焊料时需要将焊接温度控制在适当的范围内，以确保焊点的质量。

3. 焊接设备和材料的选用
应选用高质量的焊接设备和材料，以确保无铅焊接的质量。

4. 操作技巧的掌握
无铅焊接工艺技术需要具备一定的技巧，包括正确选择焊接设备和材料、掌握焊接时温度和时间的控制等。

综上所述，无铅焊接工艺技术的应用可以大大减少环境污染和对人体的危害，同时也可以提高焊接强度和耐热性能，是电子行业环保发展的重要步骤。

无铅焊料常见无铅焊料合金性能介绍无铅焊料成为电子组装行业的主要焊接材料。

无铅焊料地发展过程中，各种各样的无铅焊料不断涌现，对于无铅焊料合金的组织结构特点和性能的了解就显的十分重要。

由于ROHS 指令和WEEE指令在欧洲会议获得批准，2006年7月开始欧洲将禁止含铅电子产品的销售，同时中国也开始进入了无铅化的时代，这都使无铅焊料成为了必然。

对于电子行业来说无铅焊料的选择成为了一个关键的问题。

为此，材料界进行了大量的研究工作，试图找出可以替代Sn－Pb焊料的无铅焊料。

现在各种系别组成的无铅焊料合金有很多种，其中主要有：Sn －Ag、Sn－Zn、Sn－Bi、Sn－Cu等二元合金以及在此基础上添加其他合金元素形成的三元、四元乃至五元合金。

下面就对现今主要的无铅焊料合金组织结构及性能进行介绍。

Sn－Ag系列Sn－Ag系焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。

典型的组成比例是Sn96.5-Ag3.5，其熔点为221℃。

这种焊料所形成的合金组织是由不含银的纯β－Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。

添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。

随着Ag含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。

从强度方面来说，添加1-2％以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。

添加3％以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb 共晶焊锡要高，但超过3.5％以后，拉伸强度相对降低。

这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶。

形成粗大的金属间化合物不仅使强度降低，而且对疲劳和冲击性能也有不良影响，因此对Ag的含量和金属界面的金属间化合物要进行认真的考究。

在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点，而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中铜的浸析。

Sn－Ag－Cu无铅焊料是目前被认为最接近实用化的Sn－Pb焊料替代品，也是目前无铅焊料得首选。

无铅焊料的热蠕变疲劳分析1、输入条件按照-55℃～105℃循环，10分钟从-55℃升到105℃，恒定110分钟，20分钟降到-55℃，恒定40分钟。

一次循环时间为180分钟，一天8个循环其中：N f表示焊球热疲劳寿命，T s表示热循环平均温度，f表示一天内温度循环频率，根据温度载荷可知，最高温度为105℃，最低温度为-55℃，所以T s=25℃，一次温度循环时间约3h，所以f=8，求得c=-0.41877。

εf′为表示材料疲劳延性的材料参数，取εf′=0.325，∆γ数值通过有限元分析获取∆ε表示等效塑性应变范围，焊料在温循过程中，等效塑性应变的变化曲线如下图1 应变随时间变化曲线最大塑性等效应变为0.0553，最小塑性等效应变为0.0086（取断电后温度进入稳定状态时的最小应变值），∆ε=0.0463，∆γ=√3∆ε=0.080192带入计算得到N f=73.98（天），约1775.5h恒定温度105℃。

2、蠕变寿命蠕变疲劳和机械疲劳是两个概念，蠕变指的是结构在高于熔点的0.3倍的环境下工作时候，即使受力的大小不变，其应变也会持续增大，直到最后断裂。

具体分为三个阶段：初始蠕变或过渡蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；稳态蠕变、定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。

应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。

但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。

通过ANSYS进行热应力计算，结合nCode软件进行蠕变疲劳分析，分析流程如下所示，nCode提供专门的CAECreep求解器，采用Larson-Miller算法进行求解图2 nCode分析流程nCode中提供的蠕变LM曲线如下所示， nCode自带材料库可以给用户提供丰富的材料参数，同时同于也可以基于nCode提供的公式进行相关LM曲线的拟合。

无铅微焊点热疲劳特性分析及优化摘要近年来，人们越来越重视环境污染问题，还有在科技飞速发展的推动下，电子元件的封装采用了无铅焊料进行焊接，而且随着微电子产品向微型化、高性能方向发展，用于连接芯片与基板的微焊点尺寸也缩小到几十微米甚至几微米，目前最小的焊点已经达到十几微米。

然而微焊点所承载的力学、电学和热力学负荷却是越来越重,所以对微焊点的可靠性要求日益提高，但是就现在研究状况来看，人们对无铅微焊点抵抗破坏的能力以及热疲劳特性分析还不是很成熟，而且焊点的无铅化和微型化将是现在以及未来的重点研究方向，所以对无铅微焊点的研究具有重大意义。

本文主要对无铅微焊点的热疲劳特性进行分析研究，选用BGA的球栅阵列是焊点件进行了三维有限元数值模拟分析，选择焊点半径50-100微米之间，以Anand统一粘塑性本构方程描述无铅微焊点的粘塑性行为。

首先，研究微焊点在变化温度循环载荷下微焊点的等效应力和塑性应变的分布规律, 找出实体模型中最大应力和应变的微焊点位置。

其次，分析出最大应力焊点的等效应力周期性变化和应力应变滞后曲线。

最后，选取焊点直径、焊点高度、芯片厚度、PCB厚度四个对无铅微焊点热疲劳特性影响显著的因素进行四因素三水平的正交试验，并进行不同因素、不同数值下的最大应力分析，找出各因素对微焊点应力的影响趋势，找出其影响微焊点应力的主要因素，并对各因素影响大小进行排序，找出应力最小的微焊点尺寸，实现微焊点在结构上的优化。

为人们对电子元件的无铅微焊接封装方法和焊点尺寸的选择提供一些理论参考依据。

关键词：无铅微焊点、热疲劳特性、等效应力、塑性应变、正交试验Analysis and optimization of thermal fatigue properties for thelead free solder jointsStudent：LI Guo-man Teacher: DAI Xuan-junAbstract: In recent years, there is growing emphasis on environmental problems, as well as in promoting the rapid development of technology, electronic packaging using lead-free solder for welding, and with the miniaturization of microelectronics, high-performance direction, with micro size solder connecting the chip and the substrate is also reduced to tens of microns or even a few microns, the smallest solder has reached more than ten microns. However, the mechanical micro bumps carried, electrical and thermal load is getting heavier and heavier, so the reliability of solder joints slightly increasing, but for now study situation, people are lead-free solder resist micro damage capacity and thermal fatigue resistance analysis is not very mature, and lead-free solder and miniaturization will be the focus of current and future research directions, and therefore have great significance for the study of lead-free micro bumps.This paper focuses on the thermal fatigue properties of lead-free solder joints micro analysis and study, the choice of BGA solder ball grid array is a member of the finite element analysis of three-dimensional numerical simulation, choose between a radius of 50-100 micron pads to stick Anand unity plastic constitutive equations describing the micro bumps unleaded viscoplastic behavior. Firstly, micro bumps at varying temperature cycling load distribution of micro bumps equivalent stress and plastic strain to identify micro bumps position mock maximum stress and strain. Secondly, the equivalent stress and the cyclical changes in the solder joint stress maximum stress strain hysteresis curve. Finally, select the pad diameter, pad height, chip thickness, PCB thickness of four pairs of lead-free solder thermal fatigue characteristics of the micro-significant factors were four factors and three levels orthogonal experiment, and different factors under different values The maximum stress analysis to identify the factors on micro bumps stress of trends, identify the main factors which affect the micro bumps stress factors influence the size and sort, identify stress micro bumps the size of the smallest, to achieve micro joints in the structure optimization. For people to provide some theoretical basis for the electronic components and lead-free solder micro-welding method of packaging sizes to choose from.Key words：Micro lead-free solder joints; Thermal fatigue properties;Equivalent stress; Plastic strain;Orthogonal test目次摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 研究的目的和意义 (1)1.2 国内外研究现状及成果 (2)1.3 本文研究的内容 (3)2 相关的理论基础 (4)2.1 热应力与热疲劳理论 (4)2.2 ANSYS14.5热-结构耦合分析方法 (4)2.2.1 ANSYS的简介 (4)2.2.2 ANSYS14.5技术新特性 (4)2.2.3 ANSYS热分析原理 (5)2.2.4 瞬态热分析相关介绍 (5)2.3本章小结 (6)3 BGA 无铅微焊焊点热特性仿真分析 (7)3.1 BGA器件三维实体模型数据准备 (7)3.1.1 选择单元类型 (7)3.1.2 定义材料性能参数和Anand本构方程 (8)3.1.3 三维模型建立与网格划分 (9)3.2施加载荷与求解 (10)3.3后处理与结果分析 (11)3.3.1阵列微焊点的等效应力及等效塑性应变分布 (11)3.3.2温度循环过程中应力应变的动态特性 (12)3.3.3温度循环过程中等效塑性应变的动态特性 (13)3.3.4 无铅微焊点寿命预测 (15)3.4 本章小结 (16)4 无铅微焊点结构优化 (17)4.1 正交实验设计 (17)4.2正交试验结果分析 (18)4.2.1 均值计算及结果分析 (18)4.2.2各因素影响分析 (20)4.2.3 各因素的影响大小及最优尺寸组合 (20)4.3 本章小结 (21)5总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)1 绪论1.1 研究的目的和意义近年来，随着人们的生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高，人们开始高度重视环境污染问题，材料对环境的毒害问题也越来越受到人们的高度重视。

无铅焊料的热疲劳特性对无铅焊料进行热疲劳研究是最近才开始的事情，至今还没有构成完整的寿命预测模型，美国NCMS (NationalCenterforManufacturingSciences）的Lead Free solder project 曾对无铅焊料的热疲劳特性作了大量的研究。

作为焊料接合部热疲劳特性的评价方法，有通过视力对疲劳开裂的评价方法、利用电阻值变化的计测方法、或通过剥离试验对接合部剩余强度进行测定的方法等，对有框架引线类的QFP、PLCC等大多采用剥离试验求出接合部剩余强度再进行评价的方法。

图6.1-图6.4是将QFP 通过Sn-3.5Ag-x系无铅焊料组装于基板后，经热循环测试的器件与基板接合强度变化，及各个循环数的接合强度在初始强度下的减少关系（表示单位mass %）采用的QFP 试件由图6.5 表示（引线间距0.65mm、线数100）。

QFP 的引线电镀了S n-20Pb ，热循环制订二种方式，-30℃-130℃温度范围（△T-160K ）和。

0℃-100 ℃温度范围（△T = l00K )，升降速度1.78K/min，保持时间10min，采用气相式温度循环试验机。

接合强度使用万能精密拉伸试验机，用0.5mm / min 的十字型滑块速度将引线框对着Cu 焊区垂直方向进行拉伸，在试验次数到30 次后，再用威伯尔曲线图计算出平均拉伸强度。

各焊料接合部的初始强度，除去合金Alloy H ( Sn-7.SBi-ZBi-0.SCu）以外，其余的接合强度都在其以上或同等。

Sn-3.5Ag在添加Bi 后，其接合强度有上升的趋势，在2%时其强度达到峰值，其它场合强度都表示了降低趋势，Alloy H 合金所显示的初始强度与其他合金相比是最低的。

在添加Cu 的场合，接合强度同样显示上升，到1%时，比Sn-37Pb 、Sn-3.5Ag 有更好的接合强度。

分析AT = 100 K 时各合金热循环和接合强度的关系，不难看出Sn-3.5Ag、添加Cu 后的接合强度下降趋势缓慢，而添加Bi 后，不管哪种合金都随着热循环数的增加接合强度明显下降，对添加Bi比较，Sn-3.5Ag 添加Cu、其强度下降非常少，即进入1200次循环后也不出现热疲劳损伤，具极优异的热疲劳抵抗性，而添加Bi 的合金焊料、其显示的接合强度，有的比Sn-37Pb还低。