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焊點(diǎn)可靠性之蠕變性能

發(fā)布人:深圳福英達(dá) 時(shí)間:2024-04-15 來源:工程師 發(fā)布文章

焊點(diǎn)的可靠性是電子封裝的終極要求,然而,電子封裝的有效壽命受到各種熱機(jī)械變形的影響。蠕變被認(rèn)為是焊點(diǎn)失效的最主要機(jī)制之一。


蠕變的基本概念

蠕變是材料在高溫和應(yīng)力作用下發(fā)生的一種緩慢變形現(xiàn)象,通常只有在操作溫度約為焊料熔點(diǎn)的 50%(即 T=0.5Tm)時(shí)才會出現(xiàn)蠕變。焊點(diǎn)在長時(shí)間的工作過程中,受到溫度和載荷的交互作用,容易發(fā)生蠕變。這種變形可能導(dǎo)致焊點(diǎn)的形狀變化、應(yīng)力集中、裂紋產(chǎn)生,進(jìn)而影響焊點(diǎn)的可靠性。蠕變性能是指材料在高溫和持續(xù)應(yīng)力作用下的抗變形能力,它反映了材料的穩(wěn)定性和耐久性。

影響焊點(diǎn)蠕變性能的因素

1.溫度:高溫環(huán)境容易促使焊點(diǎn)蠕變,因?yàn)楦邷乜梢栽黾硬牧系臒嵴駝?,降低其抗變形的阻力,同時(shí)也可以加速位錯(cuò)和空位等缺陷的運(yùn)動和擴(kuò)散,導(dǎo)致材料的塑性變形。因此,在高溫條件下工作的焊接結(jié)構(gòu)需要特別注意蠕變性能。

2.應(yīng)力:大應(yīng)力容易引起焊點(diǎn)的塑性變形,從而加速蠕變破壞。應(yīng)力的大小和方向會影響焊點(diǎn)的應(yīng)變速率和裂紋的萌生和擴(kuò)展。一般來說,蠕變速率隨著應(yīng)力的增加而增加,而蠕變壽命隨著應(yīng)力的增加而減少。應(yīng)力的方向會影響焊點(diǎn)的各向異性,即不同方向上的蠕變性能可能不同。

3.材料選擇:不同焊點(diǎn)材料具有不同的蠕變行為,選用合適的焊接材料對于提高焊點(diǎn)可靠性至關(guān)重要。一般來說,高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高韌性的材料具有較好的抗蠕變性能。此外,材料的組成、結(jié)構(gòu)、相變、晶粒尺寸、晶界特征等微觀因素也會影響其蠕變性能。


為改善焊點(diǎn)的蠕變性,可以采取以下措施:

1.材料優(yōu)化:選擇具有良好高溫穩(wěn)定性的焊接材料,降低蠕變敏感性;如金錫合金(Au-Sn)焊料,這是一種電子焊接中常用的合金,它具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、良好的抗熱疲勞性能、優(yōu)秀的抗氧化性能、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。另外,還可以通過添加微量元素或納米顆粒等方式改善焊點(diǎn)材料的組織和性能,如添加鎳、鉍、銀等元素可以提高Sn-Ag-Cu無鉛焊料的蠕變性能。

2.工藝控制:通過優(yōu)化焊接工藝,減小焊接過程中的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力,降低蠕變風(fēng)險(xiǎn)。例如,可以通過控制焊接溫度、時(shí)間、速度、壓力等參數(shù),使焊點(diǎn)在焊接過程中盡可能保持均勻的溫度分布和應(yīng)力狀態(tài),避免產(chǎn)生過熱、過冷、過壓等不利因素。此外,還可以通過后焊處理,如退火、時(shí)效、應(yīng)力消除等方式,改善焊點(diǎn)的組織和性能,消除或減小焊接過程中產(chǎn)生的缺陷和應(yīng)力。

3.溫度控制:對于在高溫環(huán)境中工作的焊接結(jié)構(gòu),采取有效的冷卻措施,限制焊點(diǎn)溫升,減緩蠕變過程。例如,可以通過增加散熱器、風(fēng)扇、水冷等裝置,提高焊接結(jié)構(gòu)的散熱效率,降低其工作溫度,從而延長其蠕變壽命。


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