增强体对多场耦合下复合钎料焊点蠕变损伤的影响机理研究

Composite solder joints are prone to failure due to creep damage in multi-field coupling service environment. This project aims to build a creep process model through multi-field coupling and visualization methods in order to improve the creep resistance properties of the composite solder joints.The research contents are (1)The creep constitutive model in the coupling field of stress, temperature and electric is established. Creep constitutive equations are obtained based on the composite SnCu solder and creep constitutive model in the coupling field. Effects of kind, size and content of reinforcement on the creep activation energy and stress exponent are investigated;(2) Through the visualization method of organization, the interface of intermetallic compound, the void and crack evolution of the solder joint are studied;(3) Effects on evolution of microstructure, growth of interfacial intermetallic layer, evolution of interfacial voids and crack propagation of kind, size and content of reinforcement are studied. The influencing mechanism of reinforcement to the creep failure is revealed. The research results of this project will provide theoretical basis and technical support to the lead-free solder composition design and improve the reliability of solder joints.

复合钎料焊点因蠕变损伤而在多场耦合服役环境下易于失效。本项目拟通过构建多场耦合下的蠕变本构模型及可视化方法研究焊点蠕变过程以达到提高复合钎料焊点抗蠕变性能的目的。具体研究内容是（1）以SnCu基复合钎料为研究对象，构建力—热—电三场耦合的蠕变本构模型，建立各种复合钎料焊点的多场蠕变本构方程，探求增强体种类、尺度和含量对蠕变激活能和应力指数的影响规律；（2）通过可视化方法研究三场耦合下焊点蠕变过程中焊点的组织、界面金属间化合物、焊点内部空洞和裂纹演变规律；（3）探索增强体种类、尺度和含量对组织转变、界面金属间化合物生长、空洞演变和裂纹扩展的影响规律，提出改善复合钎料焊点蠕变损伤的手段，揭示增强体对多场耦合下复合钎料焊点蠕变损伤的影响机理。本项目的研究成果将为无铅焊点成分设计及提高焊点可靠性等方面提供理论基础和技术支撑。

复合钎料焊点因蠕变损伤而在多场耦合服役环境下易于失效。本项目具体研究内容是（1）以Sn基复合钎料为研究对象，构建力—热—电三场耦 合的蠕变本构模型，建立各种复合钎料焊点的多场蠕变本构方程，探求增强体种类、尺度 和含量对蠕变激活能和应力指数的影响规律；（2）研究三场耦合下焊点 蠕变过程中焊点的组织、界面金属间化合物、焊点内部空洞和裂纹演变规律；（3）探索 增强体种类、尺度和含量对组织转变、界面金属间化合物生长、空洞演变和裂纹扩展的影 响规律，提出改善复合钎料焊点蠕变损伤的手段，揭示增强体对多场耦合下复合钎料焊点 蠕变损伤的影响机理。制备了Sn-58Bi-xCNTs复合钎料焊点，对焊点显微组织、界面IMC层、工艺性能（铺展性能）和力学性能（显微硬度和拉伸性能）进行了分析，从而得出最佳添加量为0.01wt. %的复合钎料。采用直流电源对Cu/Sn-58Bi/Cu和Cu/Sn-58Bi-0.01CNTs/Cu焊点进行电迁移，采用蠕变试验机对两种焊点在应力-温度两场和应力-温度-电流三场下的抗蠕变性能进行了研究，最后建立了Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料在应力-温度两场作用下的蠕变本构方程，并分析了其蠕变机理。Cu/Sn-58Bi-xCNTs/Cu焊点的基体析出相为富Bi相、富Sn相及少量U型、H型Cu6Sn5相组成。CNTs添加量为0.01wt. %时复合钎料的基体组织明显得以细化，组织层片之间的距离明显缩小。Sn-58Bi钎料和Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的抗蠕变性能均随着温度和应力的增加而降低，蠕变寿命表现为逐渐降低，稳态蠕变速率表现为逐渐增加。低温环境下复合钎料焊点的蠕变断裂寿命大于Sn-58Bi钎料焊点的蠕变断裂寿命，而高温环境下复合钎料焊点的蠕变断裂寿命接近于Sn-58Bi钎料焊点的蠕变断裂寿命；低温环境下CNTs对稳态蠕变速率的影响较为明显，温度为65℃应力为8 MPa时复合钎料焊点的稳态蠕变速率仅为Sn-58Bi钎料焊点的三分之一左右。而高温环境下CNTs对稳态蠕变速率的影响十分微弱。三场作用下Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料焊点的抗蠕变性能随着温度和电流的逐渐增加而降低。本项目的研究成果将为无铅焊点成分设计及提高焊点可靠性等方面提供理论基础和技术支撑。