专利名称：：一种无铅钎料焊点结晶裂纹的测试与评价方法和装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及电子组装无铅钎焊领域的无铅钎料合金钎焊工艺性能评价技术。技术背景结晶裂纹，是钎料合金在结晶过程中，由于钎料的凝固收縮受到拘束，导致晶界开裂的一种工艺缺陷，因此结晶裂纹的形成与合金凝固过程中的力学行为、晶界状态和凝固过程自身的特点有关系。其形成机理可以用液膜理论、强度理论等多种理论解释。通常认为，液态合金冷却到固相线附近时，在晶粒周围形成液膜，如果合金凝固收縮产生足够大的应力应变，就能使液膜开裂，形成沿晶裂纹或结晶裂纹。液膜往往是产生结晶裂纹的冶金条件，收縮应力应变是产生结晶裂纹的拘束条件。钎料合金在钎焊过程中，特别是对于偏离共晶点的钎料合金，存在凝固温度区间，当钎料合金处于凝固结晶温度范围时，已经凝固结晶的晶粒之间可存在低熔点液态金属形成的薄膜，在凝固收縮应力应变的作用下，可能产生结晶裂纹，即热裂纹。低熔点液膜，主要是由后结晶的低熔点元素或杂质偏细造成的。PeterBiocca(PeterBiocca,Tin-copperbasedsolderoptionsforlead-freeassembly[C].GlobalSMT&Packaging.2006,11/12:23-25)发现非共晶合金钎料在波峰焊和手工焊接中，表面的结晶裂纹是很常见，N.Blattau等人(N.BlattauandC.Hillman.AcomparisonoftheisothermalfatiguebehaviorofSn-Ag-CutoSn-Pbsolder[C].ComparisonoftheIsothermalFatigueBehaviorofSn-Ag-CutoSn-Pb,IPC/APEX,Anaheim,CA,2006,2:7-10)也观察到了SnAgCu焊点中起源于结晶裂纹的疲劳裂纹扩展现象。我们在对PCB电路板上贴装片式元件，采用Sn3.0Ag0.5Cu焊膏，再流焊后，用体式显微镜观察焊点表面，发现焊点表面结晶裂纹明显，见附图1至附图3。焊点表面结晶裂纹的存在，会降低焊点接头的静强度及疲劳强度，导致电子互联的提早失效。由于电子封装行业中，焊点的尺寸越来越小，其表面的结晶裂纹不能宏观发现，很容易被忽视，而造成焊点接头的静强度及疲劳强度的下降；并且在无铅钎料的选择方面也困难重重。对于偏离共晶点的钎料合金表面结晶裂纹已经在实验中得到了大量的证实，其对焊点接头的静强度及疲劳强度影响也不容忽视，但是并没有相关的无铅钎料结晶裂纹热裂倾向评价方法和相关装置。因此，本发明提出一种无铅钎料合金焊点结晶裂纹的测试与评价方法及相关装置，重现无铅钎料钎焊过程产生的焊点表面的结晶裂纹，并对钎料的结晶裂纹倾向进行定量评价。
发明内容本发明的目的是提出一种无铅钎料合金焊点结晶裂纹的测试与评价方法及相关装置。属于微电子行业电子组装和无铅钎料的制造
技术领域：
。通过该试验方法，可以重现无铅钎料钎焊过程产生的结晶裂纹，实现对无铅钎料结晶裂纹的物理模拟，同时能够研究和评价钎焊温度循环以及钎焊接头几何拘束条件对结晶裂纹的影响。借助体式显微镜观察裂纹并测量裂纹的条数和总长度，再利用本发明提出的结晶裂纹的评价等级，对无铅钎料产生结晶裂纹的倾向或结晶裂纹敏感性进行评价。本发明提出的一种无铅钎料焊点结晶裂纹的测试与评价装置，其特征在于，包含无铅钎料钎焊焊点结晶裂纹的自拘束试件、体式显微镜、加热控制装置和冷却控制装置、温度传感器和用于准确显示加热温度和冷却速度的加热冷却温度循环测量装置。在结晶裂纹的测试过程中，首先将加热控制装置的温度升到某一温度，并使温度保持恒定，随后将一定量的无铅钎料放在钎焊焊点结晶裂纹的自拘束试件的中间槽，再放到加热控制装置上进行焊接，让钎料和试件焊接在一起。随后利用冷却装置让上述焊接试件在特定的冷却速度下冷却。在加热和冷却的过程中，加热冷却温度循环测量装置能准确显示实时的温度和冷却速度，保持实验的条件的一致性。其次，在体式显微镜下，观察焊点钎料表面形成的结晶裂纹计算其总长度，确定结晶裂纹的总长度和钎缝的长度之比。最后，根据比值对钎料的结晶裂纹倾向进行定量评价。焊点结晶裂纹物理模拟测试试件，在钎焊过程中，可模拟微焊点的拘束应力，对钎缝实现自拘束，从而模拟微焊点的凝固结晶及结晶裂纹的产生。加热和冷却过程通过加热和冷却控制装置调控，加热控制装置保持焊接温度恒定在所需的某一温度，冷却控制装置可精确控制冷却速度的大小。加热冷却温度循环测量装置可以准确显示加热温度和冷却速度，从而使用上述整套无铅钎料焊点结晶裂纹的测试装置模拟温度循环及焊点几何拘束对结晶裂纹的影响。自拘束试件的基体材料为金属铜，钎料可与其直接进行焊接，也可在铜表面的镀镍层、镍一磷层或者镀镍浸金等镀层实施焊接。结晶裂纹测试试件的形状和体积与裂纹重现和开裂的程度有很大的关系。因为试件的形状和体积直接影响着钎焊过程中试件的温度分布和加热冷却速度。试件体积过大，不仅试件制作成本高，而且与实际微焊点的尺寸相差大，加热冷却缓慢。试件体积过小，试验操作困难。试件外形可为长方体，长度和宽度均可为l50mm，厚度小于宽度。试件的一个表面的中间加工出长条状槽，槽的长度沿试件的长度方向，槽的长度小于试件的长度，槽的深度小于试件的厚度，槽的宽度小于试件宽度的二分之一，同时槽的宽度小于槽的长度的二分之一。试件也可采用圆柱体。其直径可为l50mm，厚度小于直径。在试件的一个表面加工出长条状槽，槽的位置处于试件表面的正中间，槽的长度小于试件的直径，槽的深度小于试件的厚度，槽的宽度小于试件的半径，同时槽的宽度应小于槽的长度的二分之一。试件中间槽底面要光滑、平整。通过调整试件中间长槽的长宽比来调整凝固过程中收縮应力的方向和大小。钎焊加热可在电热板上进行，可以有气体保护，钎焊过程经测温传感器监视钎焊温度循环并记录加热冷却曲线，加热冷却速度可调。装置框图见附图4。在实施焊接过程中，对要测量评价的钎料和助焊剂，可根据需要改变加热温度循环或维持加热冷却温度循环固定不变。由于模拟试件的中间槽中填充钎料合金的多少，直接决定着焊点所受拘束力的大小，填充钎料合金的体积应为长槽容积的0.21.2倍之间。为了对比，可以在不同试验中，维持钎料体积恒定。采用体式显微镜观察结晶裂纹，放大倍数为520为佳，这样既能清晰地辨别结晶裂纹，不会与其它的縮孔或氧化表面的龟裂相混淆，又能准确的测量结晶裂纹的数量和裂纹的总长度。为了提高测试的可靠性，每组试验的试样数目应不少于3至5个。图5是典型试件的钎缝及显示的结晶裂纹。本发明采用结晶裂纹的总长度和钎缝的长度(即槽的长度)之比，对钎料的结晶裂纹倾向进行定量评价。在大量试验的基础上，提出5级分类评价判据，艮P:(1)试件钎缝表面无结晶裂纹或者裂纹总长度小于等于钎缝长度的五十分之一，说明该无铅钎料的结晶裂倾向极小，在电子组装中不易出现结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力优秀。(2)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的五十分之一，小于或等于钎缝长度的十五分之一，说明该无铅钎料的结晶裂倾向较小，在电子组装中有可能出现很少的结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力良好。(3)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的十五分之一，小于或等于钎缝长度的六分之一说明该无铅钎料有结晶裂纹倾向，在电子组装中可能会出现一定数量的结晶裂纹，钎料的抗结晶裂纹形成能力一般。(4)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的六分之一，小于或等于钎缝长度的三分之一，说明该无铅钎料有明显的结晶裂纹倾向，在电子组装中可能出现一定数量的结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力较差。(5)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的三分之一，说明该无铅钎料的有很明显的结晶裂纹形成倾向，在电子组装中可能出现较多的结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力差。本发明的效果和优势是-(1)借助自拘束试件，通过调整钎焊槽的长宽比，可调整焊接过程中钎料受到拘束力的大小和方向，重现电子组装微焊点的结晶裂纹，实现对无铅钎料微焊点的物理模拟。通过测量裂纹总长度，可定量评价焊点接头的结晶裂纹形成倾向。(2)制定了无铅钎料合金焊点热裂倾向的定量评价判据，有助于在电子钎焊领域，通过试验，定量评价无铅钎料合金的结晶裂纹敏感性，可用于指导开发新型钎料合金，有助于正确选择和使用钎料合金，保证钎焊接头的可靠性，同时也对无铅钎料合金钎焊结晶裂纹的研究有帮助。(3)本发明的焊点结晶裂纹测量试件体积小，试验结果重现性好，操作简单便捷，试验成本低廉。图1PCB板上组装片式元件及其微型焊点图2(a)附图1片式元件右侧微焊点的表面放大，可见结晶裂纹图2(b)附图1片式元件左侧微焊点的表面放大，可见结晶裂纹图3(a)Sn3.0Ag0.5Cu钎料焊点表面，用扫描电子显微镜观察放大的结晶裂纹图3(b)Sn3.0Ag0.5CuP钎料焊点表面，用扫描电子显微镜观察放大的结晶裂纹图4结晶裂纹敏感性测试装置框5典型试件的钎缝及显示的结晶裂纹具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。本发明的实施例的实施例的试件尺寸及钎料结晶裂纹敏感性评价等级示于表1。实施例l:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5Cu合金，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+^0溶液，钎焊温度为260。C。结晶裂纹测试试件体积为lmmXlmmXlmm的长方体，中间槽的长度0.8咖，宽度为0.2mm，深度为0.75mm，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的五分之一。Sn3.0Ag0.5Cu无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力差。实施例2:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuNi，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+仏0溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件体积为10mmX6mmX2mm的长方体，中间槽的长度7隱，宽度为2mm，深度为l腿，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的九十分之一。Sn3.0Ag0.5CuNi无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力优秀。实施例3:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuP，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+H20溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件体积为20mmX12mraX3腿的长方体，中间槽的长度16mm，宽度为4mm，深度为2mm，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的二分之一。Sn3.0Ag0.5CuP无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力差。实施例4:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuCe，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+&0溶液，钎焊温度为260。C。结晶裂纹测试试件体积为30mmX30咖X10腿的长方体，中间槽的长度26mm，宽度为7mm，深度为6腿，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的十分之一。Sn3.0Ag0.5CuCe无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力一般。实施例5:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuGe，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+H20溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件体积为30mfflX30mmX20mm的长方体，中间槽的长度20誦，宽度为7咖，深度为3腦，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的二分之一。Sn3.0Ag0.5CuGe无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力差。实施例6:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuNiCe，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl十H20溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件体积为40mmX30mmX20mm的长方体，中间槽的长度30鹏，宽度为8mm，深度为IO咖，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的七十五分之一。Sn3.0Ag0.5CuNiCe无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力优秀。实施例7:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuNiCeP，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+&0溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件体积为50ramX40mmX4mm的长方体，中间槽的长度36mm，宽度为8mm，深度为3mra,焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的二十分之一。Sn3.0Ag0.5CuNiCeP无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力良好。实施例8:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuNiCePGe，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4C1+H20溶液，钎焊温度为260。C。结晶裂纹测试试件体积为40醒X30mmX4腿的长方体，中间槽的长度30咖，宽度为6mm,深度为3mm,焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的十分之一。Sn3.0Ag0.5CuNiCePGe无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力一般。实施例9:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5Cu，助焊剂为腐蚀性ZnCL+NHXl+HzO溶液，钎焊温度为260'C。结晶裂纹测试试件是直径为lmm，长度为lmra的圆柱体，中间槽的长度0.8咖，宽度为0.2咖，深度为0.75咖，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的五分之一。Sn3.0Ag0.5Cu无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力较差。实施例10:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuNi，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl十H20溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件是直径为10,，长度为5mm的圆柱体，中间槽的长度7mm，宽度为4咖，深度为3mm，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的八十分之一。Sn3.0Ag0.5CuNi无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力优秀。实施例ll:本实施例使用无铅钎料Sn3.OAgO.5CuP，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+&0溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件是直径为20ram，长度为10mm的圆柱体，中间槽的长度16鹏，宽度为4mm，深度为3mm，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的二分之一。Sn3.0Ag0.5CuP无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力差。实施例12:本实施例使用无铅钎料Sn3.0Ag0.5CuCe，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+&0溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件是直径为30咖，长度为15mra的圆柱体，中间槽的长度26mm，宽度为7mra，深度为4mm，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的十分之一。Sn3.0Ag0.5CuCe无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力一般。实施例13:本实施例使用无铅钎料Sn2.0Ag0.5CuGe，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NH4Cl+&0溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件是直径为40mm，长度为4mm的圆柱体，中间槽的长度26mm，宽度为6mm，深度为3mm，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的二分之一。Sn3.0Ag0.5CuGe无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力差。实施例14:本实施例使用无铅钎料Snl.0Ag0.5CuNiCe，助焊剂为腐蚀性ZnCl2+NHXl+貼溶液，钎焊温度为26(TC。结晶裂纹测试试件是直径为50ram，长度为20咖的圆柱体，中间槽的长度30mm，宽度为10咖，深度为5mm，焊后空气中自然冷却，待其冷却后去除焊点表面的残留物，保证表面的干净。然后在体式显微镜下放大10倍观察焊点表面的结晶裂纹。测得裂纹的总长度为中间槽钎缝长度的七十分之一。Sn3.0Ag0.5CuNiCe无铅钎料合金的抗结晶裂纹能力优。表l实施例的试件尺寸及钎料结晶裂纹敏感性评价等级<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1.一种无铅钎料焊点结晶裂纹的测试与评价装置，其特征在于，包含无铅钎料钎焊焊点结晶裂纹的自拘束试件、体式显微镜、加热控制装置和冷却控制装置、温度传感器和用于准确显示加热温度和冷却速度的加热冷却温度循环测量装置。2.根据权利要求1所述的测试与评价装置，其特征在于所述试件为长方体，长度和宽度均为150mm，厚度小于宽度；一个表面中间加工出长条状槽，槽的长度沿试件的长度方向，槽的长度小于试件的长度，槽的深度小于试件的厚度，槽的宽度小于试件宽度的二分之一，同时槽的宽度小于槽的长度的二分之一。3.根据权利要求1所述的测试与评价装置，其特征在于所述试件采用圆柱体；其直径为150mm，厚度小于直径；在试件的一个表面加工出长条状槽，槽的位置处于试件表面的正中间，槽的长度小于试件的直径，槽的深度小于试件的厚度，槽的宽度小于试件的半径，同时槽的宽度应小于槽的长度的二分之一。4.应用权利要求1所述的测试与评价装置进行定量评价的方法，其特征在于，采用结晶裂纹的总长度和钎缝的长度之比，对钎料的结晶裂纹倾向进行定量评价，提出以下5级分类评价判据(1)试件钎缝表面无结晶裂纹或者裂纹总长度小于等于钎缝长度的五十分之一，说明该无铅钎料的结晶裂倾向极小，在电子组装中不易出现结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力优秀；(2)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的五十分之一，小于或等于钎缝长度的十五分之一，说明该无铅钎料的结晶裂倾向较小，在电子组装中有可能出现很少的结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力良好；(3)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的十五分之一，小于或等于钎缝长度的六分之一说明该无铅钎料有结晶裂纹倾向，在电子组装中可能会出现一定数量的结晶裂纹，钎料的抗结晶裂纹形成能力一般；(4)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的六分之一，小于或等于钎缝长度的三分之一，说明该无铅钎料有明显的结晶裂纹倾向，在电子组装中可能出现一定数量的结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力较差；(5)试件钎缝表面裂纹总长度大于钎缝长度的三分之一，说明该无铅钎料的有很明显的结晶裂纹形成倾向，在电子组装中可能出现较多的结晶裂纹，抗结晶裂纹形成能力差。全文摘要一种无铅钎料焊点结晶裂纹的测试与评价方法和装置，属于微电子行业电子组装和无铅钎料制造
技术领域：
。由于电子封装行业中，焊点的尺寸越来越小，其表面的结晶裂纹肉眼难以发现，很容易被忽视，而造成焊点接头的静强度及疲劳强度的下降。本发明借助体式显微镜观察裂纹并测量裂纹的条数和总长度，再利用本发明提出的结晶裂纹的评价等级，对无铅钎料产生结晶裂纹的倾向或结晶裂纹敏感性进行评价。本发明可以重现无铅钎料钎焊过程产生的结晶裂纹，实现对无铅钎料结晶裂纹的物理模拟，同时能够研究和评价钎焊温度循环以及钎焊接头几何拘束条件对结晶裂纹的影响。文档编号G01N33/00GK101281144SQ20081011168公开日2008年10月8日申请日期2008年5月16日优先权日2008年5月16日发明者刘建萍,史耀武,夏志东,李晓延,董文兴,福郭,雷永平申请人:北京工业大学