电子装联常用焊料极限低温力学性能分析

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2020/04/09 09:55

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引言

随着航天技术的不断进步，深空探测成为了各国宇航界的热点研究领域。对于航天器用电子产品来说，深空探测时的低温是其面临的重要挑战之一。有研究表明，电子产品的失效有75%是由于焊点失效造成的，而电子产品中焊点失效则主要是由于温度变化造成的力学性能下降引起的。以火星环境为例，其表面温度最低达到了-130 ℃，焊点的可靠性是保证电子产品在火星表面可靠服役的先决条件。由于我国深空探测经验尚浅，对于电子产品组装用焊料的相关优选研究也比较少。因此，针对航天器用电子产品中常用的Sn63Pb37、 Sn62Pb36Ag2、In50Pb50与Pb88Sn10Ag2焊料，研究了其在-196 ℃～室温的拉伸力学性能，并对拉伸试样断口进行了微观分析，为深空探测时的焊料优选提供数据支撑。

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试验设计

使用线切割的方法制作Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、 In50Pb50与Pb88Sn10Ag2焊料标准样件，试验件完成线切割后分别使用粒径15 μm、10 μm砂纸进行打磨，去除凹坑、毛刺等缺陷，然后使用异丙醇进行清洗，试样件尺寸如图1所示。分别在-196 ℃、-150 ℃、 -100 ℃、-50 ℃、室温条件下进行拉伸试验，为了模拟焊点实际条件的受力行为，将拉伸应变速率设定为10-3 mm/s，每种焊料在每个温度条件下测试四个试样，得出拉伸断裂强度、应力应变曲线，并对试验件断口进行扫描电镜分析。

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拉伸－断裂力学性能

2.1 拉伸断裂强度

图2～图5分别是Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、 In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在不同温度条件下的拉伸断裂强度。从图中可以看出，在室温下， Sn62Pb36Ag2焊料的拉伸断裂强度最高，达到了48.2 MPa。随温度下降，Sn63Pb37与Sn62Pb36Ag2两种焊料的拉伸断裂强度均先上升后下降，在-150 ℃拉伸断裂强度达到最高。相比而言，In50Pb50、 Pb88Sn10Ag2两种焊料的拉伸断裂强度则随温度下降一直升高，不存在强度下降的拐点。这说明，在低温下Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2两种焊料的断裂机理发生了改变，而在-196 ℃～室温这一温度范围内In50Pb50、Pb88Sn10Ag2两种焊料不存在这样的变化。

2.2 断后延伸率

图6～图9分别是Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、 In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在不同温度条件下的断后延伸率。从图中可以看出，在室温下，In50Pb50焊料的断后延伸率最高，达到了49.9%。在-100 ℃以上，四种焊料均能保持较好的断后延伸率，但是当温度下降至-150 ℃，Sn63Pb37焊料的断后延伸率陡降至19.7%，其他三种焊料则仍能保持较高的断后延伸率。当温度进一步下降至-196 ℃，Sn62Pb36Ag2焊料的断后延伸率也出现了陡降的现象，而In50Pb50、 Pb88Sn10Ag2焊料仍保持较高的断后延伸率。

2.3 拉伸断裂曲线

图10～图13分别是Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在不同温度条件下的拉伸断裂曲线。从图中可以看出，在室温～-100 ℃范围内，四种焊料拉伸应力应变曲线都由三部分组成：弹性变形、塑性变形和颈缩之后断裂。这说

明在此温度范围内，四种焊料的断裂方式都是韧性断裂。当温度继续下降至-150 ℃和-196 ℃时， Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2焊料的拉伸—断裂曲线发生显著改变，焊料在发生少量的塑性变形之后突然断裂，没有发生颈缩。因此可以判断，-150 ℃和-196 ℃时，Sn63Pb37与Sn62Pb36Ag2焊料的断裂机理先后转变为脆性断裂。

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拉伸－断裂断口分析

图14和图15是Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2焊料在不同温度条件下的拉伸断口扫描照片。在-100 ℃～室温，Sn62Pb37、Sn62Pb36Ag2焊料断口的形貌是十分明显的韧窝形貌，随着温度下降韧窝变小变浅，说明两种的断裂方式在-100 ℃以上是完全的韧性断裂。当温度下降至-150 ℃，Sn62Pb36Ag2焊料断口形貌仍然为韧窝形貌，而Sn63Pb37焊料断口形貌则发生了改变，断口分布着很小的类似于韧窝的组织，但边缘不再相连，对其放大后发现，较浅的 “韧窝”内部存在断裂的晶粒，说明β-Sn在低温拉伸过程中发生了解理断裂，产生了解理刻面，断裂机理为韧脆混合断裂。因此可以判断，Sn63Pb37焊料在该温度下已经开始由韧性断裂转化为脆性断裂，而Sn62Pb36Ag2焊料仍保持为韧性断裂。当温度下降至-196 ℃，Sn62Pb36Ag2焊料的断裂方式均也转变为脆性断裂。这说明Sn62Pb36Ag2焊料的韧脆转变温度明显低于Sn63Pb37焊料。

图16和图17是In50Pb50、Pb88Sn10Ag2焊料在不同温度下拉伸断裂后的断口SEM照片。在室温～-196 ℃范围内，两种焊料的断口的形态均为韧窝形态，并且可以看出随着温度的降低韧窝的尺寸和形状没有发生特别大的变化，说明在室温～-196 ℃范围内两种焊料的断裂模式都是韧性断裂。