封裝錫合金焊料Ⅰ型斷裂特性的實驗研究

李英梅， 王超杰， 李 東

(東北大學 理學院，沈陽 110819)

五十多年來，錫鉛焊料以其優越的性能和低廉的價格廣泛使用于電子封裝結構中，但由于金屬鉛的毒性，也形成了日益嚴重的環境污染問題.為此，從2006年開始，歐盟、中國、日本、美國等國家和地區，陸續出臺法律，禁止在電子封裝結構中再使用含鉛焊料，焊料無鉛化成為不可避免的趨勢[1-3].目前無鉛焊料主要有SnAg系、SnCu系、SnZn系和SnAgCu系等，其中，Sn-Ag-Cu三元合金，具有熔點低、浸潤性好、抗熱疲勞等優點，逐漸成為無鉛焊料的主流標準焊料[1,4].但由于其熔點高出錫鉛焊料30 ℃左右，仍然會導致焊接時所需焊接溫度升高，能耗增大，出現更多的失效，如分層，開裂現象等[5].

在溫度、跌落和沖擊等載荷的作用下，封裝結構的主要失效形式是焊點開裂.目前，斷裂力學理論和方法是研究焊料失效的主要研究方向，國內外學者都從能量平衡觀點出發，以能量釋放率視為基本參量來研究裂紋的擴展規律.G. Fernlund 和J.K. Spelt[6]由單一均質的雙懸臂梁試件進行分析，應用基本梁理論和柔度法推導出帶黏性層的雙臂梁試件I-II混合型的能量釋放率計算公式；邵卓平、任海青和江澤慧[7]通過對杉木I型TL裂紋體的研究，得到了柔度試驗標定曲線的解析表達式，由此可計算柔度隨裂紋長度的變化率，為計算裂紋長度提供了方法；Siva P.V. Nadimpalli 和Jan K. Spelt[8-10]推導出帶黏性層的雙臂梁試件I-II混合型的能量釋放率計算公式，研究了焊料斷裂曲線的影響因素；Jiang Zhengwen及其合作者[11]在對玻璃鋼雙懸臂梁試件黏結層I型斷裂韌度和非均勻性測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及計算.

本文選用錫鉛焊料Sn63Pb37和無鉛焊料Sn3Ag0.5Cu(簡記為SAC305)，利用德國Zwick萬能材料試驗機及其配套非接觸式攝像引伸計，使用自制的聯動夾具，采用銅-焊料-銅雙懸臂梁焊接試件，在單一加載速率條件下，進行常溫條件下的I型斷裂實驗，觀測焊料的斷裂性能，對比計算了兩種焊料的I型能量釋放率GIc.

1 SAC305的雙懸臂梁I型斷裂實驗

本實驗中，采用銅-焊料-銅雙材料雙懸臂梁試件(如圖1所示)，參照國家標準GB4161-84《金屬材料平面應變斷裂韌度試驗標準》[12]，進行型斷裂實驗.

圖1 試件示意圖Fig.1 Schematic specimen

1.1 實驗儀器

表1為實驗過程中所用到的儀器設備名稱、型號或規格及其相關注意事項.

表1 儀器設備名稱、型號或規格及其備注

1.2 實驗步驟

(1)試件準備

首先，將紫銅板切割成規定尺寸的試件，長度100 mm，寬度10 mm，厚度10 mm，加載點圓孔直徑為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)；用自來水徹底清洗銅件，并用紗布擦拭干凈，以保證銅件各個面尤其是焊接面光亮無污染；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，以保證初始裂紋長度和焊料層長度，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[9]中的焊接溫度歷程，現將在打磨好的銅件焊接區域上均勻涂抹焊料焊膏,將環境箱升溫至焊接溫度(錫鉛焊料210～215 ℃，無鉛焊料為240～245 ℃)，焊膏的最佳熔融時間為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)實驗夾具

傳統的夾具多為下端夾頭固定，上端夾頭通過電磁驅動向上移動，實現單向拉伸，但傳統的拉伸實驗夾具并不能實現雙懸臂梁試件兩側對稱加載的I型斷裂實驗，以及后續研究需要用到的I-II混合型斷裂實驗夾具.

根據實驗需求對傳統拉伸實驗夾具進行了改造，制造了如圖2所示的聯動夾具，可實現在Zwick試驗機上進行雙懸臂梁I型斷裂實驗的加載要求.

(4)實驗過程

本次實驗為準靜態加載過程，控制夾頭的移動速度為0.01 mm/min.同時用實驗機配套的溫箱控制溫度和聯動夾具，按照國家標準[12]分別在25 ℃溫度條件下對無鉛焊料雙懸臂梁試件進行I型斷裂加載.

(5)數據采集和計算

通過非接觸式引伸計記錄裂紋張開位移，如圖3(b)所示.

(6)結果分析

將測得的數據進行處理得到加載點位移-載荷曲線并分析溫度的影響.

圖2 聯動夾具及加載Fig.2 Linkage jig and the load

圖3 實驗主要流程Fig.3 The main process of the test(a)—數據采集; (b)—監測并記錄加載點位移; (c)—試件斷裂

2 實驗結果與分析

SAC305焊料的常溫斷裂實驗條件與加載如表2所示.

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

表2 選取的試樣及測試條件

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

材料溫度/℃開裂載荷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的計算

根據文獻[6]，基于彈性基礎的梁理論和柔

度法，雙材料雙懸臂梁試件的I型能量釋放率的計算公式為:

(1)

式中：E為基底材料銅的彈性模量；a為裂紋長度；P為單位寬度的載荷；ΦI為修正參數，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分別給出了根據柔度法計算得到的兩種焊料的能量釋放率-裂紋長度曲線.從圖中可以看出，兩種焊料的初始能量釋放率GIci基本相同，初始裂紋長度為30 mm時為900 N/m，初始裂紋長度會使焊料的GIci有所降低.在裂紋擴展階段，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；而這一階段無鉛焊料SAC305的能量釋放率呈現線性增長至飽和值的狀態，其飽和值為初值的2.5倍左右，表現出更好的抵抗裂紋擴展的能力，這一特性與已有文獻[8,9]的結論相符合.表4給出了焊料的能量釋放率的匯總結果.

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

試件類型初始裂紋長度a0/mmGIci/(N·m-1)亞臨界裂紋擴展長度/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 論

(1)錫鉛焊料Sn63Pb37和無鉛焊料SAC305的I型斷裂裂紋擴展過程均為三個階段：未開裂段、亞臨界擴展階段段和裂紋失穩擴展階段.臨界開裂點載荷約為最大載荷的80%～90%左右.

(2)雖然兩種焊料的開裂載荷相差不多，但無鉛焊料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，初始裂紋長度會使焊料的GIci有所降低.

(4)無鉛焊料SAC305能量釋放率呈線性增長至飽和值的變化狀態，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%，表現出更好的抵抗裂紋擴展的能力.