它可能很难理解,因为你点击辛苦地在你的笔记本电脑的键盘,这个材料的关键电子关节正在经历条件一样,如果不是更多,比遭受严重的他们的表兄弟发电工厂。亚博网站下载可能广泛不同而操作温度(1000 K),公分母的材料行为相应的温度,,这是温度的熔化温度的比值(K)。值的两个应用程序中可能是类似的,图1。
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图1所示。同源为典型工程合金在高温温度范围的应用程序。 |
发展动力电子设备互连的通常方式是焊接接头,缓慢地发展了几个世纪的技术从传统的加入应用程序使用。合金的选择主要取决于处理性能(润湿性、流动性等)而不是钎料本身的内在属性。自80年代中期,有巨大的发展在电子和大多数的这些一直与提高对材料的要求。亚博网站下载小型化的要求,更快的转换和表面安装技术的出现,在关节必须发挥结构以及电作用,导致笔记本电脑的条件,(甚至更敏锐地在汽车或航空电子)是与燃气涡轮发动机。局势不稳定,只要提供的竞争优势将继续增强性能仍然存在。成千上万的连接在大型集会,有时失败的可怕后果,可靠性和寿命不断增长的需求,产品成熟,一些普遍的问题出现。对于所有高温部件。这些包括: •能更准确地预测寿命和可靠吗? •设计可以改善以确保长寿吗? •可以通过使用更好的材料类似的改进吗?亚博网站下载 •和在电子焊料有毒的铅可以消除吗? 有相当大的国际努力致力于这些问题,特别是在美国,在英国不太明显。一个受欢迎的策略是采用相当方法建立蒸汽发生装置和燃气轮机焊接接头的情况。 类别的焊料虽然上百不同焊料存在,有三大类:共晶或接近共晶,锡铅合金(63:37 wt %);高铅合金(pb-sn≈95%);和其他人。虽然这最后一组包含更多的专家合金,包括无铅焊料的追捧,我们的知识和理解绝大多数驻留与前两个类型,这些将是目前关注的焦点。 共晶合金共晶合金具有熔点最低的锡铅系统(因此在同源最高温度)。他们的微观结构由殖民地的交替薄片α和β在平衡条件下阶段。电子联合是一个小型铸件可能产生在一个广泛的冷却率。因为这些增加种群大小和片层间距减少,和在很快速冷却率球状阶段结构的结果。 富铅焊料富铅焊料,包含90至97.5%铅用于更高温度的应用程序。处于平衡状态在室温下它们包含两相结构,恢复到单相固溶体在加热温度高于100°C。平衡组织的合金组织本质上是不稳定的,在存储变粗,甚至在室温下。这种不稳定性以应变和循环应变为主,对服务性能有着重要的意义。 表面安装技术在传统的印刷电路板(pcb)集成电路出现双重内联包和焊料连接板上的孔。表面安装技术(SMT)使用更小的组件,直接焊接到板的表面。小洞和组件可能需要安装在两侧的板。焊接作为机械附件、电气连接器和经常散热的大道。据预测,SMT将构成2000年约80%的所有组件。 示意图共同联合几何图形用于附加组件的示例如图2所示。与界面区域分层结构的趋势,可用于容纳热应变。无铅(即没有领导,没有铅、铅)最容易受到这个问题由于其固有的结构刚度。
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图2。常见的联合几何图形,(a)死亡或底物结合,(b)焊接凸点,(c)无铅芯片载体和(c)含铅芯片载体。 |
额外的冶金因素出现时,整体共同被认为是。这是铜等金属间化合物的形成3锡、铜6Sn5或Au-Sn,这构成了焊接过程。这些都是脆性化合物能够生长在服务和接头的强度影响很大。 服务条件在服务中,焊接接头热波动和经验,在一个小得多的程度上,机械振动。前者源自内部热发生在开/关循环和/或从经营环境的变化,在极端的情况下,如汽车或飞机可能范围从约-50°C到125°C。这些条件是至少相当于那些经验丰富的镍基超合金在燃气轮机,图1。 热膨胀由于材料的各个组件联亚博网站下载合具有明显不同的热膨胀系数,压力不匹配,经常订单的10%,开发,承担自然循环的操作条件,如图3所示。损伤累积,直到故障下热机的疲劳,通常在剪切自焊料本质上是一个软层。对设计师来说,不幸的是有一个进一步的因素需要考虑。时间依赖的机械行为本身,和微观结构的不稳定。同源温度高负责,微观结构不稳定的程度超过钢,钛或镍合金在高温常见应用程序。
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图3。压力与温度的变化(的发展α的热膨胀系数) |
在室温下焊料是“浆糊”,表现出弹性、滞弹的和单调的压力的作用下粘塑性的行为。发表杨氏模量的值大相径庭,由于困难在维护真正弹性条件。高应变率和小应力消除与时间有关的影响至关重要。迅速冷却微观结构往往是稍强于那些由缓慢冷却,但它已经表明,这种差异消失后在室温下储存。超塑性行为表现出适当的粒度、温度和应变速率。 蠕变持有时间服务周期允许蠕变(压力控制条件)或,更常见的,应力松弛应变有限的条件下发生。大部分可用的蠕变数据不切实际的焊料是指最小应变率高(> 104年代1相对于那些可能在服务)。s形的关系之间存在外加应力和最小蠕变速率表明在变形机制转变。微观结构改变,或应变之前,可能会有重大的(≈三倍)对蠕变行为的影响。而应力松弛和蠕变通常被视为等效力学上,压力指数在应力/应变速率表达式通常是略大(约1)在前。 疲劳行为
在高应变疲劳的情况下(即当塑料组件的总应变超过弹性的贡献通常焊料的理由)。焊料遵循棺材曼森表达式: NfβΔεp= C 其中Nf是失败的周期数,Δεp塑性应变范围β和C是常数。在小应变范围(小于1%),β增加双线性关系。熟读来自不同来源的数据需要相当谨慎,特别是失败的定义。可能出现显著的变化在张力/压缩或剪切测试执行,使用负载降低或电气连接失败的指标。 共晶焊料的疲劳行为往往是相对不敏感的温度可能操作范围50°C到150°C。富铅焊料更表现出减少影响耐力增加温度高达150°C。对于大多数金属,有一个临界频率(3 x 104赫兹在35°C和3 x 103赫兹共晶合金在150°C),下面进一步减少频率(更严格的应变速率)对生命有害的影响。有一些争论关于之前老化对疲劳的影响耐力,中心是否老化过程彻底打消了最初的微观结构。 共晶焊料疲劳损伤通常集中于recrystallised腥红乐队的破坏导致殖民地由晶粒结构及其替代α和β阶段。与经典的沉淀强化铝合金,粗软乐队本土化后续发生变形,直到裂纹萌生。在低应变范围晶间裂纹往往是占主导地位的也是富铅焊料的主要循环失效机理。 靠近服务经验,上述连续循环反应应该放大的考虑,或者住,影响。铅锡焊料团体都被发现是拉住敏感,即相当生活借记卡(超过一个数量级)与连续循环相比,是由公司的住在每个周期的最大拉伸应变。周期与住在压缩,或住在张力和压缩,没有影响耐力,图4。在生活中减少持续时间增加而增加的抗拉住直到饱和观察持有时间超过几分钟。从力学上看,这种行为是由于应力松弛的转换在持有期间晶界损伤。
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图4。抗拉住对疲劳的影响耐力。 |
在实际服务中,应变的主要波动本身所产生的温度变化,通过热机械疲劳导致失败。所以,随着温度的范围涉及到材料的行为可能会有很大不同。亚博网站下载在单个周期的程度与时间有关的影响可能相差很大根据住在周期的位置。例如,据估计,在80°C应力松弛在1分钟内完成而在-55°C几天后这将是不完整的。类似的评论适用于微观结构变化引起的焊料的固有的不稳定性。虽然比较容易热循环整个联合配置,详细的信息关于应力、应变值及其分布通常是缺乏的,结果是限制性地针对特定几何下考试。相反,热机的疲劳测试生产一般价值的材料数据是非常昂贵的。人们已经发现,当自行车之间的含铅焊料丰富零和拉伸应变,持有时间在极端破坏生活。骑自行车20°C和80°C之间产生更短的生命比等温疲劳在80°C下特别小应变率。直接与等温疲劳,耐力减弱了更高的频率,和最低生活造成循环应变和温度阶段但90°C分离。 性能预测目前,预测焊料的性能提出了更多的问题,说,钢或钛镍合金。这通常是由于同源温度更高,更大的不稳定性和不均匀性和相对稀缺的数据有效的比较可以。估计联合演出,当然,需要精确的应力分析除了可靠和代表性的材料数据。亚博网站下载小,通常不规则形状的关节添加一个进一步的并发症。 预测方法关于材料的行为,在美国相当大的努力一直致力于评估预测方法用于材料的适用性在蒸汽和核电站和燃气涡轮机,焊料。亚博网站下载迄今为止已经有有限的成功原因有很多例如: •足够的数据可用于应变范围分区 •断裂力学方法被发病一般屈服 •遇到的困难在确定裂纹长度。 集成的伤害率方程卓有成效但即使在这里有一个隐含的假设,微观结构不会产生不稳定主要失效模式的变化。有迫切需要更深入地了解失败的机制,以及它们如何影响潜在服务条件,这样寿命预测方法可以有一个更安全的基础。 基本的焊接缺陷目前铅锡焊料遭受两个根本缺陷,一个技术,一个环境。前者是循环变形的内在脆弱性,本地化的伤害导致低的耐力。微观结构工程生产小型各向等大的谷物和齐次结构通过热机的处理,合金或粒子除了原则上提供解决方案,但对微观结构的理解水平应对压力、压力、时间、温度资料中遇到服务追求这条路总有信心是不够的。进一步,它需要确定潜在的解决疲劳问题不影响焊接的加工性能,这是至关重要的。 第二,可能更危险的锡铅焊料所面临的问题是领导本身。有毒金属,它面临越来越大的压力环境游说团体的消除。鉴于加工性能的限制,毒性,可用性和成本,可用选项的数量的替代含铅焊料并不大。锡似乎是理想的候选人的基础上新一代的焊料和合金包含~ 3 wt %银或0.7 wt %铜似乎最有前途的。这些排名已经达到主要是在处理标准——整个范围的机械测试,必须保证结构完整性,尚未进行。尽管如此,毫无疑问,在我们的一生中铅锡焊料将不复存在。这些奖第一次在比赛中代替他们将是巨大的,虽然也跑可能跟随! 总结日益要求提高性能,持续推动进一步小型化的电子设备,关注的焦点在于焊接提供结构完整性的能力。自从联合失败可能潜在的灾难性的后果与更传统的大型结构,比较缺乏进展在验证设计是令人不安的。机械的保守主义之间的紧张关系在设计和性能需求迅速增加。 在中期内,这似乎是不可避免的,将取代传统含铅焊料更环保的等价物。甚至当总理候选人被选择和评价的加工性能,结构完整性的问题将继续存在。它是及时对材料工程师预计这种情况,亚博网站下载开始以来的调查现在我们处于一个空白在这方面的知识和理解。 |