楊淼森，孫鳳蓮，孔祥霞，周云芳

(1.哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150081)

隨著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，球柵陣列封裝技術(shù)中，焊球的尺寸越來越小。常用的焊球直徑只有幾百微米，某些應(yīng)用領(lǐng)域的焊球直徑甚至達(dá)到50 μm以下。單一焊點(diǎn)在服役過程中所承受的力、電、熱載荷(機(jī)械疲勞、熱疲勞、沖擊等)越來越大，其塑性性能直接影響焊點(diǎn)的可靠性。然而，受力學(xué)性能尺寸效應(yīng)的影響，通過傳統(tǒng)拉伸等方法獲得的材料的變形規(guī)律已無法準(zhǔn)確反映微焊點(diǎn)的塑性。因此，對(duì)BGA焊點(diǎn)的塑性性能的原位研究，對(duì)合理選擇釬料和提高產(chǎn)品壽命有著重要意義。

納米壓痕法在材料微觀力學(xué)性能研究方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-2]，除獲得硬度與彈性模量等材料性能指標(biāo)外，研究者還通過定義新的塑性指標(biāo)用來描述材料塑性，并通過數(shù)值模擬及在陶瓷和金屬的納米壓痕實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證[3-6]。

在微電子封裝領(lǐng)域，納米壓痕技術(shù)在研究微小尺寸焊點(diǎn)的力學(xué)性能方面得到廣泛應(yīng)用，但多集中在壓痕硬度和彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)的測量與比較方面，對(duì)塑性的研究多集中蠕變性能分析方面[7-14]，缺少對(duì)釬料對(duì)釬料塑性的直接比較。

針對(duì)以上問題，本文作者以BGA焊點(diǎn)為研究對(duì)象，使用納米壓痕實(shí)驗(yàn)方法，從動(dòng)態(tài)硬度、蠕變特征及用塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值3個(gè)方面來表征微焊點(diǎn)塑性，并對(duì)不同成分的BGA焊點(diǎn)塑性變形行為進(jìn)行了比較。

1 力學(xué)參數(shù)的確定

加載和卸載的壓痕過程中載荷-位移(p-h)曲線示意圖如圖1所示。圖中pmax和hmax分別為最大載荷和最大壓入深度，hf為卸載后的殘余深度；S為彈性接觸剛度，為試驗(yàn)中卸載曲線頂部斜率；hml為加載到最大載荷處位移；hmu為初始卸載點(diǎn)位移。切線與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位移定義為hc。

圖1 釬料合金的典型微載荷-深度曲線[9]Fig.1 Typical indentation load-depth curves of solder alloy[9]

壓痕法測量材料的硬度和彈性模量的基本關(guān)系式為

式中：p是載荷；A是該載荷下投影接觸面積。

對(duì)于Berkovich壓頭：

式中：h是壓頭和測試部分之間規(guī)定的接觸深度；ε為壓頭形狀修正系數(shù)，取決于壓頭幾何形狀，對(duì)三棱錐壓頭ε=0.75。

Er由壓痕實(shí)驗(yàn)獲得，定義為

式中：Er為壓入折合模量；β為壓頭非對(duì)稱的修正系數(shù)(對(duì) Berkovich 壓頭，β=1.034)[14]。

通過Er可以計(jì)算出材料的壓痕彈性模量E：

式中：E、ν分別為被測材料的彈性模量和泊松比；Ei、iν分別為壓頭的彈性模量和泊松比。對(duì)于金剛石壓頭，Ei=1114 GPa，iν=0.07。

在最大載荷處保持一段時(shí)間所產(chǎn)生的蠕變過程中蠕變硬度可描述為[9]

式中：g為Berkovich壓子的形狀因子(取24.56)；Hcr為蠕變硬度；Wcr為蠕變做功；ΔVcr為蠕變變形體積。

圖2 壓痕測試過程中蠕變做功示意圖[9]Fig.2 Schematic diagram of creep deformed volume during hold time in indentation test[9]

整個(gè)壓痕蠕變測試過程中材料所發(fā)生的塑性變形都處于一個(gè)塑性半球之內(nèi)，其外側(cè)則為純彈性。塑性半球的半徑r(見圖2)可表示為[9]

式中：σy為屈服強(qiáng)度(σy=H/3)。在給定加載速率及Fm情況下，Hcr一定時(shí)，所產(chǎn)生的塑性半球也就固定。從而可以定義蠕變過程中的應(yīng)變：

式中：Vp為塑性變形體積；Δt為蠕變時(shí)間。根據(jù)上述分析，通過F-h曲線可以得到不同加載速率條件下的lnHcr和lnεcr的線性關(guān)系，從而得到應(yīng)力敏感指數(shù)n。

體釬料可以由拉伸實(shí)驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)塑性特征，而在微觀尺度很難得到傳統(tǒng)的塑性特征曲線。通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，可以對(duì)材料的塑性變形特征進(jìn)行比較。MILLMAN等[6]提出了一種根據(jù)納米壓痕試驗(yàn)結(jié)果比較材料塑性的方法。其提出的塑性指標(biāo)δH為一個(gè)無量綱參數(shù)，是塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值，這個(gè)塑性的定義符合被廣泛接受的對(duì)塑性的理解，即材料對(duì)變形的承受能力。對(duì)于壓頭錐面與軸線夾角為65.3°的Berkovich壓頭：

式中：ε、εp和εe分別為壓痕總應(yīng)變、塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變；E和ν分別為被測材料的彈性模量和泊松比。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本研究中選用化學(xué)分析純Sn、Ag、Cu、Bi和Ni這5種元素，在純氬氣保護(hù)下，使用高頻感應(yīng)熔煉設(shè)備，在石英器皿中制備出Sn3Ag0.5Cu(SAC305)、Sn0.3Ag0.7Cu(SAC0307)和Sn0.7Ag0.5Cu3.5Bi0.05Ni-(SAC0705BiNi)釬料合金。

將合金制成直徑為760 μm的BGA小球，置于690 μm銅焊盤上，使用松香酒精助焊劑，在T340C回流焊爐進(jìn)行焊接得到BGA焊點(diǎn)。回流焊峰值溫度為260℃，保溫60 s，總焊接時(shí)間為560 s。

納米壓痕試驗(yàn)在島津DUH-211S型納米硬度儀上進(jìn)行。試驗(yàn)采用115°Berkovich壓頭對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行壓痕試驗(yàn)。采用一次加載-卸載方式，壓痕間距在5倍壓痕尺寸以上，使用200 mN載荷，加載速率分別為5、10、15、20和50 mN/s；在最大載荷處保載時(shí)間為5s，卸載速率和加載速率相同，每個(gè)參數(shù)重復(fù)5次，取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 回流焊BGA焊點(diǎn)的壓痕動(dòng)態(tài)硬度

在加載過程中壓頭以脈沖加壓的形式壓入材料。納米壓痕動(dòng)態(tài)硬度是根據(jù)JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的標(biāo)準(zhǔn)，通過測量加載過程中載荷和瞬時(shí)壓痕深度得到的。動(dòng)態(tài)硬度反映了材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的塑性變形抗力。圖3所示分別為SAC305、SAC0307和SAC0705BiNi無鉛釬料的BGA焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)硬度曲線。3種焊點(diǎn)的壓痕深度如表1所列。

表1 不同成分BGA焊點(diǎn)的壓痕深度Table 1 Indentation depth of different component BGA solder joints

從圖3中可以看出，在相同加載條件下，3種釬料硬度隨著壓痕深度的增加而減小，壓痕面積越小硬度越高，表現(xiàn)出明顯的壓痕尺寸效應(yīng)。3種釬料的動(dòng)態(tài)硬度降低速度均在1.1 μm深度附近都發(fā)生了較明顯的變化。這是由于在微觀尺度，傳統(tǒng)經(jīng)典塑性理論不適于解釋微觀變形現(xiàn)象[15-17]。壓痕深度較小時(shí)，應(yīng)變梯度引起的幾何必須位錯(cuò)(Geometrically necessary dislocation，GND)，以及統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)位錯(cuò)(Statistically stored dislocation，SSD)提高的變形阻力，材料得到強(qiáng)化，因而產(chǎn)生壓痕尺寸效應(yīng)[18-19]。

圖3 不同成分BGA焊點(diǎn)壓痕的動(dòng)態(tài)硬度曲線Fig.3 Dynamic hardness-depth curves of BGA solder joints with different components

SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)中，由于Bi元素的固溶強(qiáng)化作用(見圖4)，提高了材料的強(qiáng)度，富余的Bi元素形成富Bi顆粒分布于基體中(見圖5)，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。SAC305/Cu焊點(diǎn)中的銀含量高于SAC0307/Cu焊點(diǎn)中的，其基體中大量彌散分布的Ag3Sn起到彌散強(qiáng)化作用(見圖6)，因此，SAC305/Cu焊點(diǎn)的最終硬度高于SAC0307/Cu焊點(diǎn)的。隨著壓痕深度的增加，SAC305/Cu焊點(diǎn)的硬度的降低速率最小，說明在壓頭壓入過程中，SAC305/Cu焊點(diǎn)產(chǎn)生了較明顯的硬化現(xiàn)象。

圖4SAC0705BiNi/Cu的SEM像和EDX結(jié)果Fig.4 SEM image (a)and EDX results(b)of SAC0705BiNi/Cu

圖5 焊點(diǎn)中富Bi顆粒的SEM像和EDX分析結(jié)果Fig.5 SEM image(a)and EDX results(b)of Bi-rich particles in joint

圖6Ag3Sn的SEM像和EDX分析結(jié)果Fig.6 SEM image(a)and EDX results(b)ofAg3Sn

3.2 BGA焊點(diǎn)的抗蠕變性能

圖7所示為3種無鉛釬料BGA焊點(diǎn)在最大載荷為200 mN，加載速率為5 mN/s下的納米壓痕蠕變載荷-深度曲線，表2所列為它們的蠕變數(shù)據(jù)。

蠕變深度是載荷保載過程中，釬料壓痕深度的變化。蠕變硬度反映了在蠕變過程中材料塑性變形的抗力。由表2可見，相同條件下，SAC0705BiNi釬料BGA焊點(diǎn)的蠕變深度最小，蠕變硬度遠(yuǎn)高于其他兩種釬料的，表明其蠕變過程中的阻力較其他兩種釬料中的大。

圖8所示為加載速率-蠕變深度曲線。從圖8中可以看出，壓痕蠕變深度與加載速率正相關(guān)。在相同加載速率下，SAC0307/Cu釬料BGA焊點(diǎn)的蠕變深度最大，SAC305/Cu的次之，SAC0705BiNi/Cu釬料BGA焊點(diǎn)的蠕變深度最小。且當(dāng)加載速率為50mN/s時(shí)，SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)的蠕變深度沒有明顯增加。由此可見，SAC0705BiNi抗蠕變能力更強(qiáng)，并在高加載速率下具有較好的抗蠕變性能。

通過擬合得到SAC0307/Cu、SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m分別為0.25、0.114、0.0887，對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)力敏感指數(shù)n分別為4、8.772、11.274(見圖9)。其中SAC305/Cu焊點(diǎn)的蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)與文獻(xiàn)[7]中的0.1111相近。表明SAC0307/Cu焊點(diǎn)的蠕變機(jī)制是位錯(cuò)攀移機(jī)制，SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)為第二相顆粒增強(qiáng)機(jī)制，其蠕變受非基面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的控制。無鉛焊點(diǎn)的抗蠕變性能與釬料的成分與組織有關(guān)。三元合金SAC305中的銀含量遠(yuǎn)高于SAC0307中的，Ag元素以金屬間化合物的形式大量彌散分布在基體中，提高了基體的抗蠕變能力。對(duì)于低銀多元合金SAC0705BiNi，合金元素Bi通過固溶強(qiáng)化作用顯著提高了合金的硬度與抗蠕變性能。Ni元素與Cu元素的共同作用提高了合金中金屬間化合物的含量，也有利于提高釬料的抗蠕變能力。

圖7 不同成分BGA焊點(diǎn)的載荷-深度曲線Fig.7 Indentation load-depth curves of different component BGAsolder joint

表2 不同成分BGA焊點(diǎn)的壓痕蠕變對(duì)比Table 2 Comparison of creep of different component BGA solder joints

圖8 不同成分BGA焊點(diǎn)的蠕變深度-加載速率曲線Fig.8 Creep depth-load rate curves of different component BGAsolder joints

圖9 不同成分BGA焊點(diǎn)蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)的擬合曲線Fig.9 Fitting curves of creep strain rate and hardness logarithm relation of different component of BGAsolder joints

表3 不同成分BGA焊點(diǎn)δH值Table 3 δHvalues of different component of BGA solder joint

3.3 BGA焊點(diǎn)的塑性變形特征

表3所列為3種成分BGA焊點(diǎn)，根據(jù)最大加載力200 mN，加載速率10 mN/s的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到δH。從表3中數(shù)值對(duì)比可見，低銀焊點(diǎn)SAC0307/Cu的塑性相對(duì)較好。SAC305/Cu與SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)的塑性相當(dāng)。焊點(diǎn)的塑性受其添加合金元素含量的影響，合金元素含量越低，焊點(diǎn)的塑性越好。3種釬料中，SAC0705BiNi通過加入Bi和Ni元素在提高釬料的硬度和彈性模量的同時(shí)，還保持了較好的塑性性能，獲得了良好的綜合力學(xué)性能。

在壓痕產(chǎn)生的過程中，塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值(δH)表征材料塑性在金屬與陶瓷塑性研究中得到應(yīng)用，SiC和WC等的δH為0.35～0.82，F(xiàn)e、Au等幾種常見純金屬的δH為0.92～0.99[20-21]。與陶瓷和純金屬相比，釬料成分復(fù)雜，由于晶粒大小、晶向及化合物分布等因素影響，使用納米壓痕方法釬料的H和E的數(shù)值較分散，但可以通過合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，并通過數(shù)學(xué)方法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

4 結(jié)論

1)在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，使用塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值作為塑性指標(biāo)，表征3種成分焊點(diǎn)的塑性。比較不同成分BGA焊點(diǎn)的塑性，此方法簡便可行。

2)焊點(diǎn)中添加合金元素的含量對(duì)焊點(diǎn)的塑性變形能力有較大影響，SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)與SAC305/Cu焊點(diǎn)的塑性相近。在壓頭動(dòng)態(tài)壓入的過程中，SAC305/Cu焊點(diǎn)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

3)通過不同加載速率下的蠕變硬度和蠕變應(yīng)變速率關(guān)系導(dǎo)出了SAC0307/Cu、SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m分別為0.25、0.114、0.0887，對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)力敏感指數(shù)n分別為4、8.772、11.274，表明SAC0307/Cu焊點(diǎn)的蠕變機(jī)制是位錯(cuò)攀移機(jī)制，SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點(diǎn)為第二相顆粒增強(qiáng)機(jī)制，其蠕變受非基面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的控制。

[1] 張志純,龍志林,危洪清,彭 建,許 福,李鄉(xiāng)安.Fe-Co-B-Si-Nb-Cr塊體非晶合金在納米壓痕過程中的變形行為[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2009,19(7):1300-1315.ZHANG Zhi-chun,LONG Zhi-lin,WEI Hong-qing,PENG Jian,XU Fu,LI Xiang-an.Deformation behaviour of Fe-Co-B-Si-Nb-Cr bulk amorphous alloy during nanoindentation[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2009,19(7):1300-1315.

[2] XU Fu,LONG Zhi-lin,DENG Xu-hui,ZHANG Ping.Loading rate sensitivity of nanoindentation creep behavior in a Fe-based bulk metallic glass[J].Transaction of Nonferrous Metals Society of China,2013,23(6):1646-1651.

[3] BELLEMARE S C,DAO M,SURESH S.A new method for evaluating the plastic properties of materials through instrumented frictional sliding tests[J].Acta Materialia,2010,58(19):6385-6392.

[4] HUANG Y L,LIU X F,ZHOU Y C,MA Z S,LU C S.Mathematical analysis on the uniqueness of reverse algorithm for measuring elastic-plastic properties by sharp indentation[J].Materials Science and Technology,2011,27(7):577-584.

[5] BAXEVANI E A,GIANNAKOPOULOS A E.The modified Rockwell test:A new probe for mechanical properties of metals[J].Experimental Mechanics,2009,49:371-382.

[6] MILLMAN Y V.Indentation of materials as a new method of micromechanicaltesting[J].PowderMetallurgy & Metal Ceramic,1999,38(7/8):396-402.

[7] 張國尚,荊洪陽,徐連勇,魏 軍,韓永典.納米壓痕法測量80Au/20Sn焊料熱力性能[J].焊接學(xué)報(bào),2009,30(9):53-56.ZHANG G S,JING H Y,XU L Y,WEI J,HAN Y D.Thermomechanical characterization of 80Au/20Sn solder using nanoindentation[J]. Transactions of the China Welding Institution,2009,30(9):53-56.

[8] CHROMIK R R,VINCI R P,ALLEN S L,NOTIS,M R.Measuring the mechanical properties of Pb-free solder and Sn-based intermetallics by nanoindentation[J].The Journal of the Minerals,Metals and Materials Society,2003,55(6):66-69.

[9] 王鳳江,錢乙余,馬 鑫.納米壓痕法測量Sn-Ag-Cu無鉛釬料BGA焊點(diǎn)的力學(xué)性能參數(shù)[J].金屬學(xué)報(bào),2005,41(7):775-779.WANG Feng-jiang,QIAN Yi-yu,MA Xin.Measurement of mechanical properties of Sn-Ag-Cu bulk solder BGA solder joint using nanoindentation[J].Acta MetallSin,2005,41(7):775-779.

[10] 姬 峰,薛松柏,劉 霜,婁繼源,婁銀斌.納米壓痕法測量鋅鋁釬料的室溫蠕變應(yīng)力指數(shù)[J].焊接學(xué)報(bào),2013,34(2):75-78.JI Feng,XUE Song-bai,LIU Shuang,LOU Ji-yu,LOU Yin-bin.Measurement of creep stress exponent of Zn-Al filler metal at room temperature by using nanoindentation[J].Transactions of the China Welding Institution,2013,34(2):75-78.

[11] 楊淼森,孫鳳蓮,鄒鵬飛.低銀 SnAgCuBi-xNi/Cu焊點(diǎn)塑性及蠕變性能[J].焊接學(xué)報(bào),2014,35(3):31-34.YANG Mao-sen,SUN Feng-lian,ZOU Peng-fei.Plasticity and creep performance of low-Ag SnAgCuBi-xNi/Cu solder joint[J].Transactions of the China Welding Institution,2014,35(3):31-34.

[12]GAO F,NISHIKAWA H,TAKEMOTO T,QU J.Mechanical properties versus temperature relation of individual phases in Sn-3.0Ag-0.5Cu lead-free solderalloy[J].Microelectronics Reliability,2009,49(3):296-302.

[13]DUDEK M A,CHAWLA N.Nanoindentation of rare earth-Sn intermetallics in Pb-free solders[J].Intermetallics,2010,18(5):1016-1020.

[14]RAO B S S C,WENG J,SHEN L,LEE T K,ZENG K Y.Morphology and mechanical properties of intermetallic compounds in SnAgCu solder joints[J].Microelectronic Engineering,2010,87(11):2416-2422.

[15] NIX W D,M R.Mechanical properties of thin films[J].Metall TransA,1989,20:2217-2245.

[16] NIX W D.Elastic and plastic properties of thin films on substrates:nanoindentation techniques[J].Mater Sci Eng A,1997,234/236:37-44.

[17]MCELHANEY K W,VLASSSAK J J,NIX W D.Determination of indentation tip geometry and indentation contact area of depth-sensing indentation experiments[J].Mater Res,1998,13:1300-1306.

[18]FLECK N A,MULLER G M,ASHBY M F,HUTCHINSON J W.Strain gradient plasticity:Theory and experiment[J].Acta Metallurgica et Materialia,1994,42:475-487.

[19]ASHBY M F.The deformation of plastically non-homogeneous alloys[J].Philos Mag,1970,21:399-424.

[20]MILMAN Y V,GALANOV B A,CHUGUNOVA S I.Plasticity characteristic obtained through hardness measurement[J].Acta Metallurgica et Materialia,1993,41(9):2523-2532.

[21]MILMAN,Y V,CHUGUNOVA S I,GONCHAROVA I V,GONCHARUK V A,YEFIMOV N A.Physics of deformation and fracture at impact loading and penetration[J].International Journal of Impact Engineering,2006,33:452-462.