焊点的失效模式有哪些 (2)
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焊点的失效模式有哪些 (2)
在老化和热循环过程中，焊点微观结构粗化和晶粒的取向是影响的焊点失效的重要因素。本文主要讨论锡晶粒大小和取向对无铅焊点热机械响应和可靠性的影响。
不同晶粒取向影响金属弹性和热膨胀系数。如图1所示，Bieler et al. 发现 Sn晶粒在c轴上有着接近三倍大于a轴的各向异性弹性。c轴的热膨胀系数也接近两倍大于a轴。
当c轴平行于焊盘时，会使无铅焊料和基板的热膨胀系数差异。由于热膨胀系数高度不匹配和高模量，容易在焊点拐角处形成大应力并局部再结晶，从而造成焊点裂纹。另外在热循环的电子系统中，应力远高于屈服力可能导致两个相邻的，取向错误的晶体 (Bieler et al., 2006)。焊点可能只包含一个晶粒。 晶粒取向的各向异性性质会导致焊点之间的应力分布不均匀，导致小焊点容易受到冲击。
焊料是有着高表面能的材料，因此受到热应力和机械应力时焊点会吸收能量，使得原子扩散速度更快，并致使晶粒生长或成核。随着晶粒变大，焊点空洞会增多。晶粒大小对焊点的塑性和蠕变性有着明显影响。Chanchani (1999)对层状微观结构的SnPb合金模拟实验发现，随着晶粒粗化程度变高，最大应力和应变值增加 (图2)。如果应力增加超过了焊点屈服应力，则会导致塑性变形并影响焊点疲劳程度。对两相合金如SnPb焊料而言，由于Pb不与基板形成金属间化合物，热应力作用下Pb再结晶并形成大晶粒。
在焊料中加入一些掺杂物如Ti, Ni等或许可以抑制大晶粒生长和起到细化晶粒大小的作用。
参考文献
Bieler, T.R., Jiang, H., Lehman, L. P., Kirkpatrick, T., & Cotts, E.J. (2006), " Influence of Sn Grain Size and Orientation on the Thermomechanical Response and Reliability of Pb-free Solder Joints", Electronic Components and Technology Conference, 56th, pp.370-381.
Chanchani, R. (1999), "Modeling and Simulation - The Effects of Grain Coarsening on Local Stresses and Strains in Solder Microstructure".
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