1、疲勞壽命試驗法和評價法4.4 疲勞壽命試驗法和評價法（l）熱循環(huán)加速試驗和疲勞壽命評價方法作為接合部熱循環(huán)疲勞強(qiáng)度評價的試驗方法，最好使用熱循環(huán)加速試驗，為驗證上述采用應(yīng)力解析方法說明非線性應(yīng)變振幅和熱循環(huán)疲勞試驗對接合部疲勞壽命的關(guān)系，利用非線性應(yīng)變振幅施行的接合部熱循環(huán)疲勞試驗結(jié)果由圖4.9 表示。圖示說明采用幾種不同的條件得到的疲勞壽命結(jié)果差不多在相同的直線上，評價應(yīng)力應(yīng)變首先要正確評價各試驗區(qū)間（溫度變化和溫度保持）對蠕變的影響，同時還需考慮焊料材料的溫度依存性。在材料的時間依存性和溫度依存性正確評價的基礎(chǔ)上，利用接合部生存的非線性應(yīng)變振幅，再根據(jù)coffin-manson 法則得到接

2、合部的熱疲勞強(qiáng)度，熱疲勞強(qiáng)度評價公式見下面。這里的nf表示接合部的疲勞壽命，eqin 是根據(jù)材料的時間依存性和溫度依存性評價后得到的接合部非線性等效應(yīng)變振幅。用熱循環(huán)疲勞實驗可以減少表示強(qiáng)度特性的eo、m系數(shù)，這是試驗時需注意的一點。（2）機(jī)械性疲勞試驗和疲勞壽命評價方法在研究接合部熱疲勞壽命時，常用熱沖擊試驗機(jī)進(jìn)行循環(huán)試驗，但是熱沖擊試驗機(jī)的高溫、低溫保持時間比較容易控制，由高溫到低溫或由低溫到高溫的溫度變化時間較難控制，因焊料接合部形狀的不同有時要實行不同的疲勞壽命試驗，就需改變試驗溫度等級，原來設(shè)定的高溫側(cè)溫度為125-150 ，針對使用溫度20-80 的共晶焊料（熔點183）這樣對上面

3、的熱循環(huán)試驗條件有必要重新考慮。熱循環(huán)試驗存在的問題是，對接合部采用的是熱疲勞壽命加速試驗，很少采用作為實際使用時的模擬試驗。另外，在實際使用場合設(shè)計的接合部疲勞壽命最少為10周期（循環(huán)），每試驗一個周期最短時間為20 分鐘，10的周期需要4-5 個月以上的試驗時間，這種評價方法化費的代價太大。在新產(chǎn)品投產(chǎn)期間，投資商所希望的熱循環(huán)疲勞試驗至多1-2 個月。近年來，作為熱循環(huán)疲勞試驗的替代方式，有人提出了機(jī)械等溫疲勞試驗方法，即考慮到焊接材料的溫度依存性，使用經(jīng)應(yīng)力/應(yīng)變評價得到的非線性應(yīng)變振幅，按統(tǒng)一的熱循環(huán)疲勞壽命評價方式一一接合部低循環(huán)熱疲勞強(qiáng)度評價來獲得結(jié)論。對焊料接合部施行恒定溫度下

4、的機(jī)械往返荷載，由接合部產(chǎn)生的往返型非線性應(yīng)變的模擬，完成熱疲勞強(qiáng)度的評價。剪切型機(jī)械性疲勞試驗方法說明的試驗結(jié)果，記述了機(jī)械疲勞試驗和熱循環(huán)疲勞試驗的相關(guān)關(guān)系，也說明了作為疲勞試驗替代方式的妥善性。機(jī)械加速試驗的特征有以下幾點。（a）可以進(jìn)行比熱循環(huán)試驗的速度（時間）寬得多的機(jī)械性試驗。（b）可以正確地控制對接合部施加的應(yīng)變速度。（c）根據(jù)已控制的應(yīng)變速度，可對接合部的非線性應(yīng)變成分比進(jìn)行正確控制，并由各應(yīng)變成分（sc、sp）調(diào)整對接合部生存的不同損傷。（d）可在恒溫下對接合部設(shè)定任意的應(yīng)變范圍，得到近似于大的或小的熱循環(huán)試驗結(jié)果。微型結(jié)構(gòu)的疲勞試驗可分為負(fù)載控制試驗和位移控制試驗二種，負(fù)載

5、控制試驗依賴于測力傳感器的測試精度，現(xiàn)常用1/5000 的全頻式測力傳感器，但由于電子器件接合部的疲勞破壞產(chǎn)生的封裝體與基板間的線脹失配，接合部遭受的負(fù)荷與強(qiáng)制位移模式相似，為此，執(zhí)行接合部熱疲勞強(qiáng)度模擬試驗時，也可采用位移控制方式，。在電子元件進(jìn)入小型化時代，開展接合部位移控制試驗，其位移行程可設(shè)定在10 微米到數(shù)拾微米間，位移精度可控制在0.5 微米以上。圖4.10 是剪切型機(jī)械式疲勞試驗機(jī)外觀，試驗時將夾盤固定在工作臺上，由線性傳動裝置作左右方向的往復(fù)運動。在位移控制場合，通過裝置上的位移儀測量最大，最小位移量，這時試驗片粘接在封裝體上部夾頭上，分別與基板下部、夾盤固定。試驗片的限幅方法

6、是影響試驗性能的主因，這里通過限幅來避開對試驗片的限幅負(fù)荷，特采取了限幅裝置設(shè)計，以提高試驗的可靠性。在室溫20時施行的二種應(yīng)變速度的機(jī)械疲勞試驗結(jié)果由圖4.11表示，接合部應(yīng)變速度在0.4%/s場合，產(chǎn)生的是非線性應(yīng)變的塑性應(yīng)變?nèi)f分，應(yīng)變速度為0.003%/s時產(chǎn)生蠕變應(yīng)變，兩都結(jié)果的比較，往返蠕變應(yīng)該顯示的疲勞壽命sc和往返塑性應(yīng)變顯示的疲勞壽命p，其產(chǎn)生的差異不大。說明可利用接合部生存的非線性等效應(yīng)變幅度進(jìn)行接合部疲勞壽命的評價。圖4.11的結(jié)果也表示了熱循環(huán)疲勞試驗的結(jié)果，說明各個應(yīng)變速度的機(jī)械疲勞壽命特性是一致的，也意味著所有疲勞壽命結(jié)果可用一條近似壽命曲線來表示，就是通過前面的公式

7、（4）來進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測。(3 )bga 接合部的疲勞壽命評價bga 焊接接合部大多用回流工藝形成，利用常規(guī)的回流焊工藝要使各接合點形狀都一致是困難的，bga 接點（引線）的疲勞壽命與其接點形狀有很大的關(guān)系，為提高bga 的接合部疲勞壽命可考慮做成各種各樣的接點形狀。圖4 . 12 是三種不同bga 接點形狀，其疲勞壽命評價結(jié)果見圖4 . 13 ，縱軸表示非線性等效應(yīng)變振幅，是利用三維有限單元解析計算對接合轉(zhuǎn)角部應(yīng)變的平均值。各種bga接合部疲勞壽命形狀并不是曲線，而是相同的直線狀，其線性傾斜接近2. 0, 因此bga 的接合部疲勞壽命可以按下式進(jìn)行評價。 o 是系數(shù)，顯示bga 的接合部壽命特性，在不考慮 bga 接點形狀的情況下，可以用上式進(jìn)行非線性應(yīng)變的評價，不過要注意的是，表示疲勞壽命特性的厶80與常規(guī)貼裝型 smd 是不同的。4.5 bga/無鉛焊料（sn-3.5ag-0.75cu ）焊接的疲勞壽命評價上述評價方法是針對sn-pb 共晶焊料的疲勞