剪切拉力下无铅焊点蠕变与电阻应变的关系研究

摘要

蠕变损伤是引起无铅焊点失效的一个重要因素，研究其蠕变特性对分析焊点的机械性能、寿命预测以及焊料配方的选择都有重要意义。焊点蠕变具有变化微小、难以观测的特点，传统方法往往难以准确测量焊点的蠕变行为。微电阻测试法已被证实能有效的通过测量焊点的电阻变化来了解其蠕变状态，并具有测试简单、成本低廉等特点，但焊点的电阻应变与蠕变的具体关系尚不明确。本文以损伤力学和金属导电学为基础，通过建立基于等效裂纹扩展的无铅焊点损伤模型，以损伤变量为中间量推导出在剪切拉力下焊点蠕变与电阻应变的理论关系。然后运用四探针微电阻测量法、摄像头及单片机电子技术搭建一个能同时测量焊点电阻应变和蠕变的测试系统，该系统可连续实时的测量焊点在剪切拉力作用下电阻的变化，并同步自动拍摄焊点的形变图像，通过与焊点原始图像进行比对即可得到焊点的剪切蠕变量。对以Sn96.5Ag3.0Cu制作的无铅焊点试样进行测试，采用Origin软件对大量的测试结果进行拟合分析，并将实验结果与理论推导进行对比，分析了两者之间差异产生的原因，最后对理论模型作了适当修正。主要结论如下：1)焊点的电阻应变与剪切蠕变总体变化趋势一致，均可分为线性增长时期与指数增长时期，但变化速率并不相同。在线性时期，焊点的蠕变速率要快于电阻应变，而在指数时期，焊点的蠕变速率则要慢于电阻应变；2）电阻应变与剪切蠕变变化速率的差异度随着焊点的厚横比（厚度与横截面积的比值）的增加呈现先增加后降低的趋势；电阻应变与剪切蠕变的变化拐点的时间差随着厚横比的增加呈现先降低后增加的趋势；3）由于焊点电阻应变与剪切蠕变拐点出现的时间不同，两者的关系要分为三个阶段考虑：在第一阶段，两者为线性关系，在第二阶段，两者为对数关系，在第三阶段，两者为幂方关系。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 无铅焊点的蠕变特性研究

1.1.1 无铅焊料的可靠性问师

1.1.2 无铅焊点蠕变特性研究的必要性

1.1.3 无铅焊点的蠕变研究现状及测试手段

1.1.4 蠕变的电测试法研究现状

1.2 本文主要研究内容

第二章 焊点蠕变与电阻应变的理论关系

2.1 损伤理论介绍

2.1.1 损伤的定义

2.1.2 损伤过程中的能量分析

2.2 基于损伤的无铅焊点剪切蠕变模型的建立

2.2.1 无铅焊点损伤的定义

2.2.2 无铅焊点弹性点阵体损伤模型

2.2.3 剪切应变与损伤变量的关系

2.3 基于损伤的无铅焊点电阻应变模型

第三章 测试系统的设计与实现

3.1 测试系统的总体设计

3.1.1 测试系统的总体结构

3.1.2 测试系统的功能要求

3.2 下位机数据采集系统的设计

3.2.1 单片机主控制器的选型

3.2.2 微电阻检测模块

3.2.3 图像采集模块

3.2.4 拉力测量模块

3.2.5 数据采集系统程序流程

3.2.6 误差分析和程序优化算法

3.3 软件系统的主要功能和界面

3.3.1 电阻测量软件界面

3.3.2 剪切蠕变测量软件界面

第四章 测试与分析

4.1 焊点蠕变测试

4.1.1 试样制作

4.1.2 试验过程

4.2 试验数据处理与分析

4.2.1 焊点电阻数据的处理

4.2.2 焊点剪切蠕变图像的处理

4.2.3 误差分析

4.3 测试结果分析与讨论

4.3.1 测试结果分析

4.3.2 焊点电阻应变蠕变速率差异的机理探讨

4.3.3 实验结果与理论模型的比较

4.3.4 无铅焊点剪切应变电阻应变关系模型修正

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果