文 献 综 述
摘要：焊点连接结构是微电子封装的核心部件之一，对封装结构的功能实现具有重要作用。由于焊料熔点较低，在电路工作温度下会因为温度应力而产生明显的粘塑性变形，进而影响结构可靠性与稳定性，故本文所涉及资料将主要涉及对基于统一蠕变塑性理论下的微电子封装用无铅焊料在不同温度、不同加载率下的变形行为的研究，通过查阅课题所涉及的文献成果，以明确温度、应变率对焊料弹性模量、屈服函数、强度极限等的影响，进而为后续得到结构的易损点、提高封装结构的可靠性的研究，形成初步理论指导。
关键词：粘塑性、焊料、加载率、温度、本构模型
一、前言。
课题内容主要包括熟悉塑性和粘塑性本构的基本理论和完整模型的基本框架，以及后续借助有限元软件ABAQUS提供的材料用户自定义接口，编写基于fortran语言的焊料粘塑性本构模型程序，并用于三维封装结构的有限元模拟。故文献内容将从题中涉及到的（1）焊料、（2）本构关系以及本构模型、（3）温度和应变率等几个方面入手，从这几个方面论述塑性和粘塑性本构的理论和框架，为后续有限元分析和建模提供理论支撑。
- 正文。
1、无铅、有铅焊料。
含铅焊料具有良好的柔软性、延展性、低熔点和耐腐蚀性，被广泛用于电子工业的BGA、FC封装和SMT组装领域。然而铅的大量使用不仅会造成严重的环境污染，同时也极大地危害到人体健康。人们在追求产品高性能的同时，更注重它的无毒、绿色环保等特点，并且由于法律、法规的限制，电子工业的“无铅化”、在微电子封装中使用无铅焊料已经成为今后发展的不可避免之趋势。目前，国内外的学者们相继开发出了不同成分的无铅焊料，如Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Sb等新型的焊料[6]。焊料问题中，主要探讨其破坏机理、失效问题。本文所涉及文献论述了定量评估无铅和含铅焊料合金的时间无关性以及时间依赖性变形[4]。此外，焊点作为组件和PCB板的机械、热和电气连接材料，对于电子封装的可靠性至关重要[14]。焊料的焊点完整性也是集成电路中倒装芯片和球栅阵列（BGA）可靠性的关键问题。
- 本构关系以及本构模型。
为了准确模拟电子封装材料及组件在工作服役期间的力学行为，对可靠性进行评估，必须建立合理有效地描述力学响应的本构式[6]。因此，迫切需要准确理解无铅焊料的力学响应和本构行为。本文做了如下研究论述：如研究Sn-Ag-Cu-RE无铅焊点蠕变的本构关系，以Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料为研究基础，进行稀土对Sn-3.8Ag-0.7Cu焊料接头的蠕变性能的影响的探讨，选择蠕变断裂寿命最长的SnAgCu-0.1RE焊料进行后续研究。建立Sn-3.8Ag-0.7Cu和SnAgCu-0.1RE焊点的最终蠕变本构方程，证明了稳态蠕变率对应力和温度的依赖性[2]。并在此基础上进一步研究Sn-3.5Ag-0.7Cu无铅焊点蠕变性能的本构关系，提出Sn-3.5Ag-0.7Cu焊点蠕变的修正本构模型[3]。此外，本文还涉及到基于错位密度的无铅焊料在跌落冲击下的粘塑性本构模型的研究，以描述微电子封装中无铅焊点在跌落冲击下的粘塑性行为[8]，以及Pb/Sn焊点的损伤力学本构模型，结合非线性运动硬化和速率依赖效应，使用返回映射积分算法来计算。
3、温度和应变率。
温度对材料的粘塑性变形有深远的影响，温度变化和对材料性能的关注使得金属材料的速率敏感性变得复杂。根据ASTM E8M-04标准，对两种无铅焊料91.5Sn8.5Sb和95.5Sn3.8Ag0.7Cu分别在15℃、75℃、150℃温度下和10-5s~10-2s十种应变速率下进行了一系列恒定应变速率的拉伸试验，分析两种无铅焊料的粘塑性力学行为。实验表明着两种无铅焊料具有温度和应变速率相关性[6]。本文论述的蠕变塑性模型为速率和温度相关统一蠕变塑性模型，在当前的研究中，建立了基于统一蠕变塑性理论的本构框架，研究了材料速率敏感性和温度的变化[9]。焊点完整性问题中，焊点互连尺寸的显著减小导致焊点中的脆性金属化合物的体积分数增加，并且由于高电流密度而导致焦耳热[1]，在此项研究中，焊料的故障是一个复杂的热电机械耦合问题，在施加不同的电流密度下，电浓度和焦耳热对焊料失效有着显著影响，尽管我们通常认为无铅焊料具有比传统的Pb-Sn共晶焊料更高的熔化温度，但是在焦耳热引起的裂纹尖端，热量集中仍会在高电流密度应力下熔化焊料[1]。此外，Sn-3.8Ag-0.7Cu和SnAgCu-0.1RE焊点的最终蠕变本构方程也证明了稳态蠕变率对应力和温度的依赖性[2]。在微焊点SAC/Cu塑性与蠕变性能研究中，纳米压痕实验加载速率对微焊点塑性变形行为也有影响，加载速率增大，微焊点的硬度则升高[12]。同时，微电子封装结构中微纳米焊点损伤与破坏机理研究也探讨了运用热-电耦合有限元模型分析预测Sn-Ag-Cu系焊点在不同电流密度下的点集中和焦耳热对失效的影响。通过研究发现在裂纹尖端有明显的热和电流集中现象，在高电流强度条件下热集中仍有可能将钎料熔化，并引起封装连接结构的破坏。
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