焊點可靠性之蠕變性能

焊點的可靠性是電子封裝的終極要求，然而，電子封裝的有效壽命受到各種熱機械變形的影響。蠕變被認為是焊點失效的最主要機制之一。

蠕變的基本概念
蠕變是材料在高溫和應力作用下發生的一種緩慢變形現象，通常只有在操作溫度約為焊料熔點的 50%（即 T=0.5Tm）時才會出現蠕變。焊點在長時間的工作過程中，受到溫度和載荷的交互作用，容易發生蠕變。這種變形可能導致焊點的形狀變化、應力集中、裂紋產生，進而影響焊點的可靠性。蠕變性能是指材料在高溫和持續應力作用下的抗變形能力，它反映了材料的穩定性和耐久性。
影響焊點蠕變性能的因素
1.溫度：高溫環境容易促使焊點蠕變，因為高溫可以增加材料的熱振動，降低其抗變形的阻力，同時也可以加速位錯和空位等缺陷的運動和擴散，導致材料的塑性變形。因此，在高溫條件下工作的焊接結構需要特別注意蠕變性能。
2.應力：大應力容易引起焊點的塑性變形，從而加速蠕變破壞。應力的大小和方向會影響焊點的應變速率和裂紋的萌生和擴展。一般來說，蠕變速率隨著應力的增加而增加，而蠕變壽命隨著應力的增加而減少。應力的方向會影響焊點的各向異性，即不同方向上的蠕變性能可能不同。
3.材料選擇：不同焊點材料具有不同的蠕變行為，選用合適的焊接材料對于提高焊點可靠性至關重要。一般來說，高熔點、高強度、高韌性的材料具有較好的抗蠕變性能。此外，材料的組成、結構、相變、晶粒尺寸、晶界特征等微觀因素也會影響其蠕變性能。

為改善焊點的蠕變性，可以采取以下措施：
1.材料優化：選擇具有良好高溫穩定性的焊接材料，降低蠕變敏感性；如金錫合金（Au-Sn）焊料，這是一種電子焊接中常用的合金，它具有高熔點、高強度、良好的抗熱疲勞性能、優秀的抗氧化性能、高熱導率等優點。另外，還可以通過添加微量元素或納米顆粒等方式改善焊點材料的組織和性能，如添加鎳、鉍、銀等元素可以提高Sn-Ag-Cu無鉛焊料的蠕變性能。
2.工藝控制：通過優化焊接工藝，減小焊接過程中的熱應力和殘余應力，降低蠕變風險。例如，可以通過控制焊接溫度、時間、速度、壓力等參數，使焊點在焊接過程中盡可能保持均勻的溫度分布和應力狀態，避免產生過熱、過冷、過壓等不利因素。此外，還可以通過后焊處理，如退火、時效、應力消除等方式，改善焊點的組織和性能，消除或減小焊接過程中產生的缺陷和應力。
3.溫度控制：對于在高溫環境中工作的焊接結構，采取有效的冷卻措施，限制焊點溫升，減緩蠕變過程。例如，可以通過增加散熱器、風扇、水冷等裝置，提高焊接結構的散熱效率，降低其工作溫度，從而延長其蠕變壽命。

審核編輯 黃宇