电子封装用钎料进入无铅时代后所面临的主要问题之一是微连接接头的抗冲击性能不能满足需要，特别是在汽车电子、便携式电子产品的生产中尤为突出。本项目以无铅焊点的冲击失效机理为研究目标，借助高速拉伸试验方法模拟焊点在冲击载荷下的力学行为；借助纳米压痕法、微观测试等手段揭示了焊点的微观力学特征与组织结构变化的内在关系；分析了影响接头脆性断裂的主要因素-界面化合物（IMC）在时效过程中的形成、演变和纳米压痕特征，比较了Ag、Cu 及Ni、Bi 含量对IMC 形成长大、形态特征及断裂行为的影响，比较了以上各种元素含量对焊点宏观力学和细观力学性能的影响；揭示了IMC 的形貌特征与在不同的温度下疲劳损伤的变化规律。本项目的主要创新性成果如下： 1） 发现微焊点中 IMC 的脆断强度统计结果呈现级差。当BGA 焊球尺寸在Ф0.76mm 时，不仅微焊点的力学参数出现了明显的尺寸效应，而界面扩散也存在尺寸效应。 2） 揭示出高温时效柯氏空洞是降低强度的主要因素。经过长期的时效后，影响焊点高速拉伸强度的因素复杂，在众多的影响因素中，时效温度的影响更明显。在如图3 所示的BGA 球具有Cu 环的特殊结构的焊点中，在高温150℃以上时效，随时间的延长、温度的提高，其强度值在绝对降低。在接头中IMC 层在逐渐增厚，Cu 层界面处由扩散引起的空洞在增多，直至形成连续的裂痕。而这些连续的裂痕就是断裂源，是引起低强度破坏的关键因素。 3） 微焊点的界面扩散存在尺寸效应；阐明了时效条件下焊点的IMC 层生长机制。通过分析时效焊点出现的微观现象，解释了IMC 形成机制，建立了在高温熔化和时效过程中IMC 的形成和长大过程的物理模型指出：在时效过程中，由于化合物表面能的驱动、元素扩散激活能的变化、晶界处的优先扩散路径几方面因素促使凝固过程中形成的化合物在时效过程中继续长大。新生化合物在已形成的两个IMC 突起中间以较高的速率在填充凹区。随时间的延长，由于新生化合物的不断增厚使界面化合物的形貌逐渐趋于平缓。 4） 用纳米压痕描述焊点基体蠕变能力和尺度效应。借助纳米压痕测试技术，采用物理反解析方法，获得了焊点的抗蠕变疲劳性能重要参数-蠕变速率敏感指数m 及蠕变应力指数n。Sn-3.0Ag-0.5Cu-x(Ni,Bi)焊点有着比Sn-3.0Ag-0.5Cu 焊点更高的蠕变抗力。由于体钎料中添加适量的Ni, Bi 第四组元可使得晶粒细化，晶界和位错密度增加，由位错攀移引起的蠕变更困难所致。与体钎料相比，当BGA 焊球尺寸在Ф0.76mm 时，力学参数出现了明显的尺寸效应。因此描述微焊点的力学性能，纳米压痕方法是合适的。 5） 用纳米压痕描述界面的微观力学性能的变化。通过对界面生成的三元 IMC（Ni-Cu-Sn）的纳米级力学性能的测试分析，获得了在不同Ni含量的连接界面中IMC 的系列纳米级力学参数，揭示了Ni-Cu-Sn 化合物的微观力学性能对Ni含量的敏感性。指出：弹性模量E、压痕硬度H 都随着(Cu1-x,Nix)6Sn5 中Ni 含量的增高而相应地提高。扩散反应层中Ni 含量的增加可促使化合物类型转变，使(Cu1-x,Nix)6Sn5 转变为(Ni1-y,Cuy)3Sn4 化合物。本研究认为压痕尖角附近存在裂纹的弹性模量和压痕硬度明显降低是由于晶界滑移使压入深度增加而致。经过时效老化后的化合物层往往压痕硬度值较小，是由于微裂纹所致。 此研究成果在分析电子封装微互联焊点的可靠性领域，为纳米力学分析方法提供一定的理论依据，对生产中提高电子封装接头的抗冲击疲劳寿命有一定参考价值。

哈尔滨理工大学

该项目为储备库项目资源，暂无效益分析内容。