Sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法

本发明属涉及一种焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，尤其涉及一种sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法。

背景技术：

1、为适应电子产品小型化、多功能化和高可靠度的发展需求，电子封装行业对无铅近共晶snagcu(sac)已经经历三代发展达成共识：

2、第一代商用sac焊料：ag含量高，成分位于共晶点附近，流动性好，强度较高但塑性不足；

3、第二代商用sac焊料：ag含量下降，成本下降，塑性提高但可靠性降低；

4、第三代商用sac焊料：ag含量较低，成本较低，用微合金化等手段对性能进行改性，控制成本且兼顾强度和塑性，拓宽焊料应用场景和应用范围。

5、常用sac焊料的基体中存在细小弥散的ag3sn和cu6sn5化合物颗粒，其主要存在于共晶组织中，能起到弥散强化作用，阻碍位错运动，提高焊点力学性能。而伴随电子产品小型化、多功能化和高可靠度的发展趋势，第三代sac无铅焊料所处的服役环境也越来越复杂。以用于发动机控制的车载电子电路器件为例，其会被设置在发动机附近，工作温度最高可达到150℃左右。常用的sac焊料(如sac305)在该温度下ag3sn和cu6sn5会出现粗化现象，破坏基体一致性，导致基体损伤，从而导致焊点性能下降。而该下降数值会成为产品选择互连材料的一个重要指标。

6、常用sn-bi-in和sn-bi-sb焊料的主要强化方式为微合金元素对基体的固溶强化。bi元素不与sn基体形成化合物，bi含量较高时会在sn晶界位置析出白色富bi相。sb元素能和bi完全互溶，其效果和bi类似。in元素能降低焊点熔点，含量较低时同样具有明显的固溶强化作用。该强化方式与微合金元素在sn中的固溶度有关，服役温度较高时颗粒相的析出和粗化程度较轻，对焊点基体的损伤较小，使得焊点性能表现较为稳定，与弥散强化的sac焊料形成鲜明对比。

7、根据产品严苛应用环境，170℃条件下的热时效，成为较高温度下的设置参数。继而该温度下焊点、合金随着时间的力学性能损伤，导致焊点力学性能降低。那么为了对产品性能及其寿命有一个很好的把握和评估，焊点在服役(低温+应力等)，即较高温度170℃下的力学性能评估及预测就变得尤为迫切和重要。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种不同种类sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的准确预测方法。

2、技术方案：本发明所述的sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，包括如下步骤：

3、(1)甄别焊点强化种类，分为imc强化型和固溶强化型sn焊料合金；

4、(2)根据基体性能来预测焊点时效后焊点的力学行为，当焊点强化种类为imc强化型时，其在服役过程中，剪切强度在0到250h间显著下降，250h到1000h间趋于不变；当焊点强化种类为固溶强化型时，其在服役过程中，剪切强度损伤为±5.69％。

5、进一步地，imc强化型焊点在服役过程中，其剪切强度σ损伤呈指数式下降，遵从其中σ0为imc强化部分引起的强度，与imc占比、尺寸有关；t为时效时间；τ为与材料相关的常数。

6、进一步地，所述服役过程在170℃等温热载荷，同系温度为0.8的条件下进行。

7、进一步地，所述强度损伤来源于基体强化相粗化，失去原有强化效果。

8、进一步地，所述imc强化型sn基焊料合金由质量分数为96.5～99.7％的基体sn和化合物形成元素组成。

9、进一步地，所述化合物形成元素为ag和/或cu。

10、进一步地，所述固溶强化型sn基焊料合金由基体sn和bi、in、sb等固溶元素组成。

11、进一步地，所述固溶元素的质量百分比为4～8％。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明归纳常用sn基焊料中ag3sn和cu6sn5化合物在热时效载荷下的演化对焊点力学性能的损伤的共同特点，提供多种常用sn基础焊料的imc强化效果在焊点服役中逐步损失，导致焊点性能大幅下降这一共同特性。指出弥散强化方式在sn基焊料中的应用存在缺陷，需要辅以其他如固溶强化手段对焊料进行综合强化，从而提高焊点热场服役可靠性；(2)当基体锡内添加入bi、in、sb等固溶类元素时，形成的固溶强化为主的合金、焊点。由于固溶原子对空位、位错等的阻碍作用，使得基体锡的强化在服役中体现出更好抵抗热载荷的能力。在整个时效范围内，组织、界面较为稳定。使得焊点的损伤得到很好的抑制。

技术特征：

1.一种sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，imc强化型焊点在服役过程中，其剪切强度σ损伤在0～250h呈指数式下降，遵从其中σ0为imc强化部分引起的强度；t为时效时间；τ为与材料相关的常数。

3.根据权利要求1所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述服役过程在170℃等温热载荷，同系温度为0.8的条件下进行。

4.根据权利要求1所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述强度损伤来源于基体强化相粗化。

5.根据权利要求1所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述imc强化型sn基焊料合金由基体sn和化合物形成元素组成。

6.根据权利要求5所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述化合物形成元素为ag和/或cu。

7.根据权利要求1所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述imc强化型sn基焊料合金中基体sn的质量分数为96.5～99.7％。

8.根据权利要求1所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述固溶强化型sn基焊料合金由基体sn和固溶元素组成。

9.根据权利要求8所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述固溶元素为bi、in或sb。

10.根据权利要求1所述sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，其特征在于，所述固溶元素的质量百分比为4～8％。

技术总结
本发明公开了一种Sn基焊料合金焊点在高温服役过程中强度损伤的预测方法，该方法首先将锡基合金分为两类，一是IMC强化型Sn基合金，二是固溶强化型Sn基合金，其中，IMC强化类型的合金焊点在170℃等温热载荷(同系温度为0.8)的作用下，其强度σ损伤呈指数式下降，遵从其中σ<subgt;0</subgt;为IMC强化部分引起的强度；t为时效时间；τ为与材料相关的常数。IMC相快速粗化，在0～250h迅速下降；之后在250h～1000h趋于稳定，焊点强度由基体Sn控制，因此趋于一致。而固溶强化型锡基合金焊点在该整个时效范围，剪切强度保持稳定。

技术研发人员：王小京,张有诚,蔡珊珊,赵永恒,彭巨擘,刘晨,王加俊,刘宁
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14