無鉛焊點(diǎn)蠕變電阻測(cè)試系統(tǒng)的研制

1、無鉛焊點(diǎn)蠕變電阻測(cè)試系統(tǒng)的研制2008年第27卷第9期傳感器與微系統(tǒng)(TransducerandMicrosystemTechnoh,gies)89無鉛焊點(diǎn)蠕變電阻測(cè)試系統(tǒng)的研制蔣禮,向可.,楊科靈,周孑民(1.中南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410083;2.中南大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410083)摘要:以Sn-3.5Ag焊料制作的截面積1mm.的單個(gè)焊點(diǎn)試樣為測(cè)試對(duì)象,基于電阻應(yīng)變與裂紋生長(zhǎng)等效模型,利用在線四探針法電阻測(cè)量技術(shù),研制了焊點(diǎn)蠕變電阻測(cè)試系統(tǒng).系統(tǒng)由測(cè)試儀,測(cè)試裝置和上位機(jī)軟件creep組成,實(shí)現(xiàn)微電阻,拉力,溫度測(cè)量和測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ),實(shí)時(shí)應(yīng)變曲線的繪制.測(cè)

2、試結(jié)果表明:系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性,電阻測(cè)量最大相對(duì)誤差為0.27%.在20-29MPa應(yīng)力范圍下,Sn-3.5Ag焊點(diǎn)試樣的電阻應(yīng)變一時(shí)間測(cè)試曲線清晰地展示了剪切蠕變行為的第,階段,為觀測(cè)無鉛焊點(diǎn)剪切蠕變特性提供了一種高效,簡(jiǎn)捷的可選手段.關(guān)鍵詞:無鉛焊點(diǎn);電阻應(yīng)變;測(cè)試系統(tǒng)中圖分類號(hào):TP216.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-9787(2008)09-0089-04Developmentofcreepresistancetestsystemforlead.freesolderjointsJIANGLi,XIANGKe,YANGKeling,ZHOUJie.min(1.SchoolofP

3、hysicsScienceandTechnology,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Usingsinglecreepspecimenswitha1mmcrosssectionalarea,whicharedevelopedandfabricatedwithleadfreesolder(Sn-3.5Ag),asthetestobjects,acreepresist

4、ancetestsystembasedontheequivalentmodeofresistancestrainandcrackdevelopingisdesignedtotesttheresistancestrainandobservetheshearcreepqualityofsolderjoints,withinsitumicroelectronicresistancemeasurementusingfourprobetechniques.Thistestsystemiscomposedoftestinstrument,testdeviceandsoftwarecreep,anditis

5、abletomeasuresmallresistance,load,temperatureandstoreexperimentdataanddepictstraincuiveinrealtime.Theexperimentalresultsshowthatthissystemhascomparativelyhighstabilityandthelargestmeasuringerrorofresistanceis0.27%.Underashear.stressof2029MPa,theresistancestraintimetestcurveforSn-3.5Agsolderjointssho

6、wstheandthestageofshearcreepclearly,andtheresultsuppliesanefficient,convenientwayforobservingtheshearcreepqualityofleadfreesolderjoints.Keywords:leadfreesolderjoints;resistancestrain;testsystem0引言當(dāng)前關(guān)于無鉛焊料的蠕變特性研究逐漸成為熱點(diǎn),吸引了眾多研究者,但大多利用光學(xué),在線SEM的方法.如,McDougallJ采用光學(xué)手段捕捉試樣表面特定劃痕的形變圖像,利用AdobePhotoshop對(duì)這些圖像進(jìn)

7、行預(yù)處理,再借助圖像數(shù)據(jù)數(shù)字化軟件Datathicf提取特定劃痕上坐標(biāo)點(diǎn)的變化,由此測(cè)量焊點(diǎn)的蠕應(yīng)變分布.LauKJ利用在線SEM方法研究焊點(diǎn)的蠕變失效,其基本過程為:在剪切蠕變?cè)囼?yàn)過程中,捕捉焊點(diǎn)的SEM顯微結(jié)構(gòu)圖,并記錄載收稿日期:2008-01-16基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50376076)荷的位移;同時(shí),根據(jù)銅基板表面的激光柵格顯微圖像及其有限元分析結(jié)果,測(cè)量焊點(diǎn)的應(yīng)變.上述光學(xué),在線SEM的方法均未能實(shí)時(shí),高效,簡(jiǎn)捷地對(duì)焊點(diǎn)的蠕變特性進(jìn)行測(cè)試,評(píng)估.此外,許多研究者從微觀角度對(duì)焊點(diǎn)的蠕變特性進(jìn)行研究,但采用在線測(cè)量電阻應(yīng)變來研究蠕變特性的方法尚未有報(bào)道,國內(nèi)的吳豐順等人.

8、雖曾采用四探針電阻測(cè)量法研究無鉛互連凸點(diǎn)的電遷移失效,卻并未涉及蠕變特性.然而,焊點(diǎn)應(yīng)用于電子產(chǎn)品中,就理論和實(shí)際而言,其機(jī)械特性與電學(xué)特性存在一定的關(guān)系.為此,研傳感器與微系統(tǒng)第27卷究組在無鉛焊點(diǎn)可靠性的研究過程中,基于Griffith斷裂理論模型-"建立起一個(gè)電阻應(yīng)變與裂紋生長(zhǎng)等效模型,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了電阻應(yīng)變與機(jī)械蠕應(yīng)變之問的定量關(guān)系.本文以電阻應(yīng)變與裂紋生長(zhǎng)等效模型為基礎(chǔ),利用在線四探針法微電阻測(cè)量技術(shù),研制了無鉛焊點(diǎn)蠕變電阻測(cè)試系統(tǒng),以測(cè)試焊點(diǎn)的電阻應(yīng)變來觀測(cè)剪切蠕變特性.1測(cè)試原理1.1電阻應(yīng)變與裂紋生長(zhǎng)等效模型設(shè)焊點(diǎn)中心有一寬度為2n的等效裂紋,焊點(diǎn)內(nèi)部等效裂紋不斷生

9、長(zhǎng)的同時(shí),其電阻值隨之改變.根據(jù)電阻應(yīng)變與裂紋生長(zhǎng)等效模型,可得出焊點(diǎn)在剪切應(yīng)力的作用下的電阻應(yīng)變與裂紋寬度之間的關(guān)系如式(1)所示=+WL業(yè)f(a)+WdLRhWL-f(WL-f(,(1)D''.)'式中p為Sn-3.5Ag焊料的電阻率;S為焊點(diǎn)在與電流相互垂直方向上的等效橫截面積,S:WL,L分別為焊點(diǎn)的寬和高廠(n)為等效裂紋面積.如試驗(yàn)過程中溫度恒定不變,則焊料Sn-3.5Ag的電阻率P恒定不變,電阻應(yīng)變主要由焊點(diǎn)厚度改變和裂紋生長(zhǎng)決定.根據(jù)剪切蠕變經(jīng)典理論和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果,焊點(diǎn)厚度改變作用因素遠(yuǎn)小于因裂紋生長(zhǎng)作用矧素,即.根據(jù)剪切變形中的幾何關(guān)系,有c1,J麗,

10、則dL亦可忽略不汁.因此,電阻應(yīng)變與裂紋寬度之間的關(guān)系可用式(2)表示:.),Aa/.).(2)假定焊點(diǎn)內(nèi)裂紋生長(zhǎng)與時(shí)間相關(guān),則焊點(diǎn)等效裂紋寬度可看作時(shí)問的函數(shù),有n=,其中,叮由焊點(diǎn)初始狀態(tài),材料特性和裂紋擴(kuò)展特性決定.由此式(2)呵變?yōu)?.(3)百''式(3)表明焊點(diǎn)蠕變的電阻應(yīng)變隨時(shí)間變化,變化曲線如圖1所示.其中,W=,J=1IBm,7/=1×10m/s,At=1s:圖1電阻應(yīng)變與時(shí)間變化關(guān)系Fig1Electronic-resistancestrainvariedwithtime1.2四探針法測(cè)微電阻無鉛焊點(diǎn)(Sn-3.5Ag)的電阻通常小于1rail,為了

11、精確測(cè)量并消除接觸電阻的影響,本文采用四探針法測(cè)量微電阻.四探針法測(cè)量的原理如圖2所示,圖中,尺,R,R.,R分別代表探針1,2,3,4與試樣的接觸電阻,尺為待測(cè)電阻.由于電壓表具有很高的輸出阻抗,接觸電阻尺,中通過的電流近似為0,從而保證了測(cè)量精度.lI魚一Il圖2四探針法測(cè)電阻Fig2Measurementofelectronic-resistancewithfour-probes2測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試儀,測(cè)試裝置和上位機(jī)軟件creep組成.如圖3所示,將試樣固定在測(cè)試裝置的夾具上,根據(jù)載荷質(zhì)量,試樣焊點(diǎn)面積等參數(shù)計(jì)算出試樣所承受的載荷.蠕變?cè)囼?yàn)過程中,載荷始終保持不變.阻拉力測(cè)試探針微

12、電阻測(cè)試探針測(cè)試探針圖3測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理Fig3Principlediagramoftestsystem當(dāng)給試樣施加豎直向下的剪切應(yīng)力后,在某一溫度下,隨著時(shí)問的推移,試樣會(huì)發(fā)生剪切蠕變.蠕變過程中,通過徽電阻測(cè)試探針,濾波放大電路及16位A/D轉(zhuǎn)換器采集焊點(diǎn)試樣的微電阻值;拉力傳感器將試樣所受拉力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)由焊點(diǎn)測(cè)試儀器內(nèi)部的濾波放大電路,l6位As/D轉(zhuǎn)換器處理,將拉力值轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的剪切應(yīng)力;溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)過濾波放大電路后,由8侮A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量.焊點(diǎn)測(cè)試儀器內(nèi)部微處理器將上述3個(gè)物理量的數(shù)字量,以特定數(shù)據(jù)幀的形式,經(jīng)由通信接口發(fā)送到計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)

13、提取相關(guān)數(shù)據(jù),完成曲線繪圖數(shù)據(jù)存取,打印等工作.2.1測(cè)試儀的硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試儀以高性價(jià)比的MCS-51系列8位微處理器AT89S52為核心.硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示,根據(jù)功能不同,可劃分為微電阻測(cè)量,拉力測(cè)量,溫度測(cè)量,液晶顯示和串口通信等幾大功能模塊.稱f1ll/一頌蓄測(cè)一=堂一蘭三一第9期蔣禮,等:無鉛焊點(diǎn)蠕變電阻測(cè)試系統(tǒng)的研制數(shù)字可編程增益精密儀表放大器焊點(diǎn)試樣程控精密叵流源lILCD顯示器外部數(shù)據(jù),地址總線圖例:+.數(shù)據(jù),信號(hào),控制流'_串行移位<:二:>并行總線訪問一恒;贏源反潰電壓圖4測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)Fig4Hardwarestructureo

14、ftestinstrument1)微電阻測(cè)量:微電阻測(cè)量由精密程控恒流源聯(lián)合三級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn).恒流源采用大功率運(yùn)算放大器OPA548,可穩(wěn)定輸出最大為10A的電流.三級(jí)放大電路包括新型精密儀表放大器LTC6915和折波自穩(wěn)零運(yùn)算放大器,最大可將電壓值不失真放大40960倍,非常適合微小電壓放大.2)拉力和溫度測(cè)量:拉力測(cè)量采用1rJL_1s型拉力傳感器,可測(cè)量最大為500N的拉力.溫度測(cè)量采用Pt100鉑電阻,測(cè)量范圍為0255,測(cè)量精度為l.3)液晶顯示和串口通信:液晶顯示采用16×2字符液晶顯示模塊SMC1602,串口通信則使用MAX232實(shí)現(xiàn)UART異步串行通信功能.2.2測(cè)試

15、儀的軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)是,標(biāo)定拉力零值和5N定值及放大器零值,選擇試驗(yàn)?zāi)Ｊ?監(jiān)控恒流源,采集數(shù)據(jù)并以每1O秒1幀(14個(gè)字節(jié))的速度將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī).圖5給出測(cè)試儀的程序設(shè)計(jì)流程.程序源代碼由MCS-51匯編和C語言聯(lián)合編寫.圖5測(cè)試儀程序流程圖Fig5Procedureflawchartoftestinstrument9I2.3基于Delphi的上位機(jī)軟件creep系統(tǒng)以BorlandDelphi7.0為開發(fā)平臺(tái),利用串口通信控件,數(shù)據(jù)庫組件,圖表控件等,實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件creep.軟件creep的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)時(shí)接收與處理來自測(cè)試儀所采集的試樣焊點(diǎn)微電阻,實(shí)時(shí)拉力,環(huán)境溫度

16、等數(shù)據(jù),具備記錄檢測(cè)時(shí)間,試樣自動(dòng)編號(hào),即時(shí)顯示"電阻一時(shí)間","電阻應(yīng)變一時(shí)間","溫度一時(shí)間"曲線圖等基本功能,并能存儲(chǔ),查詢?cè)囼?yàn)記錄.除此之外,creep的界面必須友好,操作簡(jiǎn)潔明了,以方便用戶使用.圖6給出了軟件creep的基本結(jié)構(gòu).軟件系統(tǒng)系統(tǒng)配置Il教據(jù)庫操作ll串行通信妻竺苧皇!_IL曼戶_圖6軟件creep的基本結(jié)構(gòu)圖Fig6Structurediagramofsoftwarecreep3測(cè)試結(jié)果3.1微電阻測(cè)試試樣選用0.01級(jí)BZ3直流標(biāo)準(zhǔn)電阻(0.001n)對(duì)系統(tǒng)電阻測(cè)量精度進(jìn)行檢測(cè),測(cè)量結(jié)果如表1所示.町見數(shù)據(jù)

17、的穩(wěn)定性較高.表1BZ3標(biāo)準(zhǔn)電阻(0.001n)的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab1DatameasuredbyusingBZ3standardresistance(0.0011)根據(jù)表1計(jì)算得到電阻應(yīng)變的最大絕對(duì)誤差為2.2n,最大相對(duì)誤差為0.27%.3.2蠕變與電阻應(yīng)變測(cè)試采用Sn-3.5Ag焊料制作多個(gè)焊點(diǎn)試樣(試樣尺寸見圖7),在2029MPa的剪切應(yīng)力下進(jìn)行蠕變測(cè)試.結(jié)果顯示:厚度為0.1一O.2Him的焊點(diǎn)試樣電阻變化范圍為8O傳感器與微系統(tǒng)第27卷150n,與吳豐順等人"的測(cè)試結(jié)果吻合.(a)正面(a)elevation(b)側(cè)面O.22mm(c)局部放大i維罔(b)sideeleva

18、tion(c)3Ddiagramamplifiedpartially圖7焊點(diǎn)試樣示意圖Fig7Schematicdigramofspecimen選取焊點(diǎn)試樣1,2為代表.圖8和圖9分別給出了其在24MPa的剪切應(yīng)力下的電阻應(yīng)變一時(shí)間曲線圖.可以看出:曲線變化趨勢(shì)與圖l和經(jīng)典的蠕變曲線趨勢(shì)類似,清晰地展示了剪切蠕變行為的第,階段.O.20O.150.100.05005001000l50020002500時(shí)間/min圖8試樣l電阻應(yīng)變曲線Fig8Resistancestraincurveofspecimen10.0350.0300.0250.0200.015O.0100.005O-0.0050l0

19、002000300040005000時(shí)間/min圖9試樣2電阻應(yīng)變曲線Fig9Resistancestraincurveofspecimen24結(jié)論1)本文開發(fā)的無鉛焊點(diǎn)蠕變電阻測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定,可靠,電阻測(cè)量結(jié)果與其他研究工作者得出的結(jié)果吻合.2)采用Sn-3.5Ag焊點(diǎn)進(jìn)行剪切蠕變?cè)囼?yàn),測(cè)試曲線清晰地展示了與文獻(xiàn)資料相類似的焊點(diǎn)蠕變,裂紋生長(zhǎng)直至完全斷裂的過程.3)系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性,為測(cè)試系統(tǒng)增加一些輔助模塊,并適當(dāng)?shù)匦薷睦碚撃Ｐ秃蜕衔粰C(jī)軟件,即可擴(kuò)展測(cè)試內(nèi)容.參考文獻(xiàn):1McDougallJ,ChoiS,BielerTR,eta1.Quantificationofcreepstrain

20、distributioninsmallcreptlead?freein?situcompositeandnoncompositesolderjointsJ.MaterialsScienceandEnginee-ringA,2000(285):2534.2LauKJ,TangCY,ChowCL.eta1.Microscopicexperimentalin-vestigation0UshearfailureofsolderjointsJ.InternationalJour-nalofFracture,2004(130):617-634.3ZhaoJie,MiyashitaY,MutohY.Frat

21、iguecrackgrowthbehaviorof96.5Sn-3.5AgleadfreesolderJ.ntemationalJournalofFa.tigue,2001(23):723-731.4ZhaoJie,MutohY,MiyashitaY,eta1.Fatiguecrackgrowthbe.haviorofSn?PbandSn-basedleadfreesoldersJ.EngineeringFractureMechanics,2003(70):2187-2197.5ChenSC,LinYC,ChengCH.ThenumericalanalysisofstrainbehavioratthesolderjointandinterfaceinaflipchippackageJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006(171):125-131.6LinCK,TengHY.CreeppropertiesofSn-3.5Ag-0.5CuleadfreesolderundersteploadingJ.JMaterSci:MaterElectron,2006(17):577-586.7KerrM,ChawlaN.Creepdeformationbehaviorof