晶体取向对SAC305焊点在热循环下力学响应及疲劳寿命的影响研究

导读

电子元器件在服役过程中因功率循环而承受热循环载荷。由于焊点与封装材料之间热膨胀系数（CTE）差异，焊点易发生热力疲劳并在界面处产生裂纹。SAC305焊点为以β-Sn为主的单晶或三晶结构（Beachball形态），表现出明显的力学各向异性。本研究采用晶体塑性有限元方法，对PBGA封装器件进行多尺度热循环模拟，系统研究了晶体取向对焊点力学响应和疲劳寿命的影响规律。

研究概述

本研究来自天津大学化工学院陈刚教授团队，发表于《Journal of Materials Research and Technology》期刊，研究采用热力耦合晶体塑性模型，针对PBGA塑料球栅阵列封装器件开展热循环模拟分析，研究建立了宏-介观多尺度模型：宏观尺度采用Anand粘塑性本构模型进行整体封装模拟，识别危险焊点；介观尺度对危险焊点建立单晶和三晶子模型，深入分析晶体取向对变形行为和疲劳寿命的影响。

实验方法与核心发现

研究建立了1/4 PBGA封装模型，包含PCB板、铜焊盘、SAC305焊球、BT基板、硅芯片和塑料密封层。整体模型采用Anand统一粘塑性本构关系描述焊点材料行为，子模型采用热力耦合晶体塑性模型，考虑β-Sn的体心四方晶格结构和各向异性热膨胀系数。热循环条件参照IPC-SM-785标准，温度范围为-55~125°C，升降温速率20°C/min，高低温保温各10min，周期38min，共模拟5个循环。

图 1 五次循环的热循环曲线

图 2 PBGA封装器件模型：（a）1/4模型；（b）局部焊球

1. 整体模型分析：识别危险焊点

模拟结果表明，最外层的9号焊球在热循环过程中位移最大，是封装的危险点。von Mises等效应力和应变能密度在焊球与焊盘结合界面边缘处形成集中，且9号焊球上表面处数值最大，这与实验观察到的焊点疲劳失效位置一致。

图 3 第五循环初始125°C时的结果。(a) Von Mises等效应力；(b) 最大Von Mises等效应力演化曲线；(c) 应变能量密度；（d）应变能密度演化曲线。

图 4 局部焊球位移场：（a）125°C时平面内Z方向；（b）125°C时平面外Y方向；（c）-55°C时平面内Z方向；（d）-55°C时平面外Y方向

2. 单晶取向分析：c轴垂直基板疲劳寿命最长

对9号焊球建立了单晶Sn子模型，研究了三种特殊取向和两种面内取向梯度下的力学响应。结果表明：Von Mises等效应力方面，当c轴平行于X轴、Y轴和Z轴时，最大应力分别为24.67 MPa、22.47 MPa和32.65 MPa。c轴平行于Y轴（即垂直于基板）时应力最小，表明该取向下焊点更安全。

图 5 三种取向焊球的累积应变能耗散图：（a）c轴平行于X轴；（b）c轴平行于Y轴；（c）c轴平行于Z轴；（d）体平均应力演化曲线

图 6 三种取向焊球的累积等效塑性应变云图：（a）c轴平行于X轴；（b）c轴平行于Y轴；（c）c轴平行于Z轴；（d）体平均演化曲线

3. 取向梯度分析：c轴与基板夹角影响显著

图 7 a轴与XZ平面X轴不同角度的累积等效塑性应变：（a）云图；（b）体平均演化曲线

图 8 三种情况下各晶粒的累积等效塑性应变图

研究表明，c轴与基板夹角越大，变形累积越快，疲劳寿命越短。当c轴垂直于基板时，面内a轴与X轴夹角的影响较小，可忽略不计。

4. 三晶Beachball结构分析：取向分布影响变形行为

建立了三种典型三晶Beachball结构模型，分析了取向和分布对各晶粒累积剪切应变的影响。结果表明，滑移系组 #6和#4是主要变形源，滑移系组 #2最难被激活。取向分布对总剪切应变有显著影响。

图 9 各晶粒累积剪切应变演化曲线

图 10 三种情况下每个颗粒所有滑移系的体积平均总累积剪应变演化曲线

5. 疲劳寿命预测：晶体塑性模型更准确

基于应变和能量两种疲劳寿命模型的分析表明，整体宏观模型由于忽略晶体各向异性，会过高或过低预测疲劳寿命。晶体塑性子模型能够更准确反映不同取向焊点的疲劳寿命差异。

结论与工程启示

本研究通过多尺度热循环模拟，系统阐明了晶体取向对SAC305焊点力学响应和疲劳寿命的影响规律，得出以下主要结论：

1. 封装器件的危险点为最外层9号焊球，该焊球与芯片侧CTE差异最大，界面处应力集中最严重。

2. Sn晶体c轴垂直于基板时变形抗力最大，累积等效塑性应变和应变能密度累积最慢，疲劳寿命最长。

3. c轴与基板夹角越小，变形累积越快。当c轴平行于基板时，焊点变形最快，最先失效，疲劳寿命最短。c轴垂直于基板时，面内a轴的影响较小，可忽略。

4. 建议在电子器件封装工艺中，使焊点晶体c轴垂直于基板，以确保焊点具有良好的抗变形能力和潜在抗热循环失效能力。

5. 在三晶模拟中，多晶取向和分布对热循环下的变形和疲劳寿命有影响。封装工艺中应尽量控制多晶c轴垂直于基板，以获得更好的热疲劳寿命。

该研究为电子封装焊点的晶体学取向优化设计提供了理论依据，建议通过定向凝固等方法控制焊点晶体取向，提高封装器件的热疲劳可靠性。