[发明专利]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

说明书

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σsubgt;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。

技术领域

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

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：

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；

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；

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

(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；

(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％。

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。