极端温度环境中锡基钎料力学本构方程构建及焊点失效机制研究

The temperature range in deep space significantly exceeds the reliable temperature range (-55℃～+125℃) for the standard electronic components. Therefore, the current theoretical models of joint reliability cannot predict the electronic components reliability used in deep space and new theoretical models including mechanical behaviors and failure behaviors of bulk solder and solder joint are highly desirable to be established. In this project, we focus on the process of ductile to brittle transition and mechanical behavior of bulk solders and solder joints under extreme low temperature, respectively, and develop a typical constitutive equation at cryogenic temperatures to meet the demands of the deep space exploration. On the other hand, combining the investigation of microstructure evolution, Sn whisker growth and failure mechanism of solder joints and thermal shock test to establish a life predication model of tin-based solder joints at the extreme temperature environment. The coupling tests including thermal shock and power-on for the solder joints are carried out to investigate the influence of current to solder joint reliability. The expected experimental results will provide a theoretical fundamental for failure mechanism of solder joints at extreme temperature to sustain the solder joint reliability of electronic components in the deep space environment.

深空中环境温度范围远超目前电子产品的可靠工作温度范围(-55℃～+125℃)，因此现有的焊点可靠性理论已无法支撑电子产品在深空环境中的可靠运行，有关于钎料以及焊点在极端温度环境中的力学行为以及失效机制等都亟需验证及完善。本项目以深空探测器中的电子互连焊点为研究对象，通过分析钎料和焊点在极低温环境中的韧脆转变和低温力学行为，建立锡基钎料的低温本构方程；对焊点在极限温度环境下的微观组织演化、锡须的生长机制和焊点失效机理进行研究，结合高低温热冲击实验结果，建立极限温度环境中大温变条件下的焊点寿命预测模型；通过电加载及热冲击耦合试验，研究电流载荷对焊点可靠性的影响规律。通过以上研究内容，建立锡基焊点在极端环境中的可靠性理论，为电子元器件组装焊点在深空环境中高可靠工作提供有力保障。

深空探测过程中，无热控措施的电子产品必将经历极端严酷环境。焊点在电子产品中起着机械支撑和电气连接的作用，焊点的可靠性对于电子产品的正常运行至关重要。而互连焊点的可靠性取决于钎料及焊点的力学性能、失效机制以及服役寿命。本项目针对锡基钎料/焊点进行-196 ℃～+150 ℃温度区间内组织演变和力学性能的研究。首先，研究了极端温度环境下SAC305和Sn-37Pb钎料/焊点微观组织的演变规律和失效模式。结果发现，在极低温贮存后，SAC305/Cu与Sn-37Pb/Cu焊点界面IMC厚度均随贮存时间增加而增加。在-196 ℃～150 ℃极端温度冷热冲击试验中，通过建立有效的疲劳寿命预测模型，获得SAC305焊点的零失效寿命和特征寿命分布为260次和365次，Sn-37Pb焊点的零失效寿命和特征寿命分布为230次和304次；其次，采用低温拉伸试验和夏比冲击试验研究-196 ℃～20 ℃范围内Sn62Pb36Ag2和Pb88Sn10Ag2钎料合金的组织特征及断裂模式，为深入研究并准确描述该钎料在极低温环境中的力学性能表现提供依据。在低温拉伸过程中，Sn62Pb36Ag2和Pb88Sn10Ag2钎料的断裂模式均随温度降低由韧性断裂转变为韧脆混合型断裂。通过夏比冲击试验发现，Sn62Pb36Ag2钎料的韧脆转变温度为-30 ℃，Pb88Sn10Ag2钎料在该温度范围内未发生脆性断裂；并以SAC305焊点在极端温度热冲击（-196 ℃～150 ℃）环境下通以高电流密度（1.5×104 A/cm2）后的失效机理和可靠性为研究目标，研究焊点的组织演变规律及失效机理。在极端温度热冲击和高电流密度耦合条件下，随着热冲击次数的增加，SAC305焊点阳极处IMC呈平面状，成分为Cu6Sn5和Cu3Sn双层IMC。在35次热冲击后，阴极处熔断导致焊点失效，焊点两端电阻也达到无穷大；最后对SAC305和Sn-37Pb钎料在-196 ℃～25 ℃温度范围内进行单轴拉伸试验，通过构建钎料在脆性阶段的力学本构方程，为研究极低温环境下焊点的脆断失效机理提供数据支撑和理论指导。结果表明，SAC305钎料的韧脆转变温度在-180 ℃～-170 ℃，Sn-37Pb钎料的韧脆转变温度在-186 ℃～-180 ℃。此外，在应变率范围内Sn-37Pb钎料所构建的本构方程拟合效果较好。