1、密 级： 学校代码：10075分类号： 学 号：20111355工 学 硕 士 学 位 论 文低银无铅焊料的动态力学性能研究学位申请人： 李娜指导教师： 牛晓燕 副教授学位类别： 工学硕士学科专业： 固体力学授予单位： 河北大学答辩日期： 二一四年五月Classified Index: CODE: 10075U. D. C. NO: 20111355A Dissertation for the degree of M. EngineeringStudy on Dynamic Mechanical Properties of Low Silver Lead-Free Solder Candida
2、te: Li NaSupervisor: A.P. Niu XiaoyanAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Solid MechanicsUniversity: Hebei UniversityDate of Oral Examination: May, 2014摘 要便 携 式 电 子 产 品 在 运 输 与 使 用 过 程 中 经 常 会 发 生 跌 落 与 撞 击 等 问 题 ， 要 求 焊 点 具 备优 异 的 抗 跌 落 性 能 。 另 外 ， 电 子 元 器 件 在 服 役 过 程 中 会 放
3、出 大 量 的 热 量 ， 导 致 焊 点 温 度升 高 ， 我 国 部 分 地 区 冬 季 的 温 度 历 史 上 最 低 达 为 -50 左 右 ， 也 会 影 响 焊 点 的 实 际 温 度 ，对 电 子 产 品 在 较 低 或 较 高 的 温 度 下 使 用 都 会 影 响 焊 点 的 力 学 性 能 ， 从 而 影 响 其 寿 命 。 目前 对 低 温 下 焊 点 的 力 学 性 能 研 究 还 很 少 。 随 着 人 类 环 保 意 识 的 增 强 及 电 子 行 业 对 成 本 的控 制 ， 低 银 无 铅 焊 料 逐 渐 取 代 了 高 银 无 铅 焊 料 。 也 为 焊 点
4、的 可 靠 性 提 出 了 新 的 课 题 。基 于 以 上 问 题 ， 本 文 对 低 银 无 铅 焊 料 的 力 学 性 能 以 及 焊 点 的 可 靠 性 进 行 了 系 统 性 的研 究 ， 主 要 工 作 和 结 果 如 下 ：（ 1） 在 不 同 工 况 下 ， 采 用 电 子 万 能 材 料 试 验 机 和 分 离 式 霍 普 金 森 压 杆 装 置（ SHPB） 对 低 银 无 铅 焊 料 Sn0.3Ag0.7Cu 分 别 进 行 准 静 态 和 动 态 试 验 ， 研 究 发 现 ， 在 不同 的 温 度 范 围 内 ， 应 变 率 与 温 度 对 低 银 焊 料 Sn0.3
5、Ag0.7Cu 的 塑 性 变 形 的 影 响 是 不 同 的 ，在 中 高 温 区 （ 40 100 ） ， 材 料 的 应 变 率 硬 化 效 应 和 温 度 软 化 效 应 较 低 温 区 （ -450 ） 明 显 减 弱 ； 基 于 以 上 实 验 数 据 和 Johnson-Cook 模 型 拟 合 得 到 低 温 和 中 高 温 下Sn0.3Ag0.7Cu 的 动 态 本 构 关 系 。（2）对 板 级 VFBGA 封 装 的 跌 落 情 况 进 行 有 限 元 分 析 ， 结 果 表 明 ， 对 于 低 银 无 铅 焊料 Sn0.3Ag0.7Cu， 低 温 下 焊 点 上 最 大
6、 应 力 的 分 布 主 要 分 布 在 焊 点 的 界 面 处 ， 与 中 高 温不 同 ； 与 高 银 焊 料 相 比 ， 低 银 焊 点 的 测 试 板 一 侧 应 力 要 大 于 封 装 体 一 侧 ， 与 高 银 焊 点 正好 相 反 ， 且 最 大 应 力 大 大 低 于 高 银 焊 料 ， 也 说 明 低 银 焊 料 的 抗 跌 落 性 能 明 显 优 于 高 银 焊料 。关 键 词 低 银 无 铅 焊 料 霍 普 金 森 压 杆 Johnson-Cook 模 型 有 限 元 分 析AbstractIt is inevitable to cause the portable el
7、ectronic products drop or impact in the process of transportation or application，so we expect the solder joints own excellent resistance to drop .In addition, the electronic components will release a lot of heat in the process of service, and lead to high temperature of solde accordingly. The lowest
8、 temperature of our country in the history is around for - 50 , which will affect the mechanical properties of solder joints in the use of electronic products under low or high temperature, thus the life of electronic products to use is affected. Currently, there is little research about the mechani
9、cal properties of solder joints under low temperature. Along with the improve of human awareness of environmental protection and cost control of electronic industry, low-silver lead-free solders products were gradually replaced high-silver solder products, also put forward the new subject for the so
10、lder joint reliability.To solve the above problems, in this paper the mechanical properties of low silver lead-free solder and solder joint reliability of systematic were studied. The main work and results list as follows: 1）The mechanical properties of low silver solder Sn0.3Ag0.7Cu were characteri
11、zed by using an electronic universal material testing system and Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) under different conditions. The results show that the strain rate hardening and temperature softening effects on the plastic deformation of low silver solder Sn0.3Ag0.7Cu are different among experime
12、nt temperature ranges. In high temperatures (40100), the strain rate hardening effect and temperature softening effect were weaker than low temperature (-450). The dynamic constitutive relationship was determined through these experiments based on Johnson-Cook model. 2）The model of VFBGA packaging i
13、n board-level drop condition was established by the finite element method. The results show that, as for low silver lead-free solder Sn0.3Ag0.7Cu, the distribution of the maximum stress on the joints was observed in the interface of the solder joints at low temperature; Compared with high silver sol
14、der , the stress around test plate side silver solder is greater than that around the side of the package, while high silver solder just the opposite ;And the maximum stress of low silver lead-free solder is much lower than that of the high silver solder , which shows better resistance to drop.Key w
15、ords low silver lead-free solder SHPB Johnson-Cook model the finite element analysis 目 录第 1 章 绪 论.11.1 电子封装概述.11.1.1 电子封装的分类.21.1.2 电子封装的历史.31.2 电子封装的可靠性.41.3 无铅焊点的可靠性及研究现状.61.4 本论文的主要研究内容.8第 2 章 冲击动力学.102.1 冲击动力学概述.102.2 冲击载荷的响应.112.2.1 冲击响应的影响因素.112.2.2 冲击动力学的响应的分析方法.112.3 跌落冲击.132.3.1 概述.132.3.2
16、BGA 板级跌落冲击实验装置 .142.3.3 跌落理论.18第 3 章 低银无铅焊料动态力学性能的实验研究.203.1 引言.203.2 力学实验.203.2.1 试件制备及加工.203.2.2 静态实验装置及原理.203.2.3 动态实验装置及原理.233.3 实验结果及分析.263.3.1 应变率对材料力学性能的影响.263.3.2 温度对材料力学性能的影响.283.3.3 温度与应变率共同作用对材料力学性能的影响.303.4 本构关系的确定.303.5 本章小结.32第 4 章 VFBGA 焊点在跌落冲击下的有限元分析.344.1 引言.344.2.1 有限元思想.344.2.2 AN
17、SYS/LS-DYNA 简介 .374.3 有限元模拟.394.3.1 有限元模型的建立.394.3.2 材料参数.404.3.3 载荷和边界条件.424.4 有限元结果分析.434.4.1 室温下焊点的有限元分析.444.4.2 温度对焊点的影响.454.4.3 与高银焊料的比较.474.5 本章小结.48第 5 章 结论与与展望.505.1 结论.505.2 下一步工作展望.51参考文献.52致 谢.57第 1 章 绪 论 1.1 电子封装概述电 子 封 装 指 的 是 根 据 电 路 图 ， 将 裸 芯 片 、 金 属 、 陶 瓷 等 物 质 先 制 造 成 芯 片 、 元 件 、板 卡
18、 ， 再 制 造 成 电 路 板 ， 最 终 组 成 电 子 产 品 的 整 个 组 装 工 程 。 电 子 封 装 不 仅 是 连 接 内 部芯 片 和 外 部 电 路 的 纽 带 ， 还 具 有 固 定 、 密 封 、 增 强 芯 片 散 热 及 保 护 芯 片 的 功 能 1, 2。 电子 封 装 影 响 着 电 子 产 品 的 电 、 热 、 光 以 及 机 械 性 能 ， 直 接 关 系 到 电 子 产 品 的 可 靠 性 和 成本 ， 电 子 产 品 的 日 渐 小 型 化 与 电 子 封 装 也 有 不 可 分 割 的 关 系 ， 因 此 ， 电 子 封 装 技 术 是 电子 制
19、 造 技 术 的 重 要 基 础 。图 1-1 电子封装的分类1.1.1 电子封装的分类 电 子 封 装 可 分 为 零 级 封 装 、 一 级 封 装 、 二 级 封 装 和 三 级 封 装 2。 如 图 1-1 所 示（ 1） 零 级 封 装 是 指 晶 片 级 的 连 接根 据 成 本 控 制 、 芯 片 和 基 板 上 I/O(Input/Output terminal)端 口 的 数 目 和 间 距 等 采 用 不同 的 技 术 将 晶 片 进 行 连 接 。 主 要 有 以 下 几 种 方 法 ：1） 引 线 键 合 (Wire Bonding)， 又 称 键 合 为 压 焊 即
20、在 一 定 压 力 下 ， 利 用 金 丝 或 铝 丝实 行 金 -金 键 合 ， 铝 -铝 键 合 或 金 -铝 键 合 。 其 I/O 端 子 数 目 最 大 约 为 1000， 单 排 或 双 排连 续 的 引 线 键 合 可 以 满 足 逻 辑 电 路 的 塑 料 和 陶 瓷 封 装 的 需 要 。2） 载 带 自 动 焊 (Tape Automated Bonding, TAB) 自 动 引 线 键 合 较 普 通 的 引 线 键 和 速度 更 快 ， 效 率 更 高 ， 可 靠 性 也 非 常 好 。 其 I/O 端 子 最 大 数 目 与 引 线 键 和 相 同 ， 不 适 合
21、较高 的 密 度 封 装 。3） 倒 装 焊 (Flip Chip， FC) 芯 片 的 整 个 表 面 被 面 阵 列 焊 接 的 C4 所 覆 盖 ， 周 边 排 布的 间 距 更 细 ， I/O 数 最 高 可 达 20003000。 可 以 在 多 I/O 端 口 数 目 下 保 持 小 的 芯 片 尺 寸 ，此 技 术 的 关 键 点 之 一 是 C4 和 TAB 都 需 要 在 芯 片 表 面 形 成 凸 点 。（ 2） 一 级 封 装 是 集 成 电 路 中 将 一 个 或 多 个 集 成 电 路 （ IC） 芯 片 用 适 当 的 材 料 封装 成 单 芯 片 组 件 或 多
22、芯 片 组 件 ， 即 将 一 个 或 多 个 具 有 一 定 功 能 的 电 路 芯 片 ， 放 置 在 一 个特 定 材 料 做 成 的 外 壳 容 器 或 保 护 层 中 ， 并 保 证 外 部 的 机 械 连 接 和 电 学 连 接 正 常 ， 使 其 有一 个 可 靠 的 工 作 环 境 。 并 需 要 进 行 一 系 列 的 环 境 、 气 候 和 机 械 性 能 测 试 。一 级 封 装 是 电 子 封 装 中 变 化 最 快 、 发 展 最 迅 速 的 领 域 ， 电 子 产 品 的 集 成 度 和 密 度 不断 提 高 ， 迫 切 要 求 封 装 技 术 不 断 适 应 新
23、的 发 展 。其 中 常 见 的 典 型 技 术 有 以 下 几 种 ：1） 针 栅 阵 列 （ PGA， Pin grid array） 封 装 ， 也 叫 插 针 网 格 阵 列 封 装 一 般 用 于 可 能出 现 多 次 插 拔 操 作 器 件 的 场 合 。 由 这 种 技 术 封 装 的 电 子 产 品 有 多 个 由 内 至 外 的 方 阵 形的 插 脚 （ 针 ） ， 每 个 方 阵 形 插 针 在 芯 片 的 四 周 以 一 定 的 间 隔 排 列 ， 根 据 管 脚 数 目 的 多 少 ，可 以 围 成 2 5 圈 。 安 装 时 ， 将 器 件 插 入 专 门 的 PGA 插 座 。 为 了 使 得 CPU 器 件 能 够 更方 便 的 安 装 和 拆 卸 ， 从 486 芯 片 开 始 ， 出 现 了 一 种 ZIFCPU 插 座 ， 专 门 用 来 满 足 PGA封 装 的 CPU 在 印 刷 电 路 板 上 安 装 和 拆 卸 的 要 求 。2） 球 栅 阵 列 （ BGA） 封 装 （ Ball Grid Array Package） 该 封 装 技 术 的 出 现 满 足 了
