Sn_Cu_Ni焊点纳米压痕试验分析(2)

2021-02-21 08:57

曲线可分为两部分,初始蠕变阶段和大位移阶段.在初始阶段中,开始时蠕变位移变化很快,随着时间的延长,蠕变位移的变化逐渐变慢,进入大位移阶段

蠕变位移与蠕变时间呈近似线性关系,这为物理后,

分析推导蠕变速率敏感指数提供了可能,故研究中

以满足该对钎料基体的载荷保持时间设置为3min

,分析方法的需要.

图1

Fig.1

加载及卸载过程中载荷—位移曲线

Typicalforce-displacement(F-h)curveduringloadingandunloading

从F-h曲线中可得到hc与S等重要参量,由此,弹性模量与压痕硬度可由以下关系来确定即

H=

Fmax

A

(1)(2)(3)

图2压痕过程中蠕变时间—蠕变位移示意图

Fig.2Relationofcreepdeformationversusdwelltime

[4,5]

1Er=S2β2

11-v21-vi

=+ErEEi

对蠕变时间—蠕变位移曲线,在其后期的近似线性阶段采集数据计算得到

dd?=1ε

ddt

[2-4]

式中:H为试样的压痕硬度;A为压痕的投影面积;

Er为约化的弹性模量;β为已知的压头修正系数;E和v分别为试样的弹性模量和泊松比;Ei和vi分别为已知的压头弹性模量和泊松比.压痕仪的压头为115°的三棱锥,由几何关系得到

A=26.43h

2

c

(7)

式中:d为保持阶段的压入深度,即蠕变位移;t为蠕

?的关系数变时间.从而得到近似线性阶段H与ε

据,将蠕变结果表示成两者的双对数曲线,经数据拟和确定出的直线斜率即蠕变应变速率敏感指数

dlnσdlnHm=(8)=dlnεdlnε

1n=(9)

m

[2-4]

(4)

从而可确定试样的弹性模量E与压痕硬度H.

由于钎料的服役温度已超过其熔化温度的一半,且焊点的可靠性与钎料蠕变性能有很大关系,因而即使在室温也不得不考虑蠕变的影响.以往分析蠕变性能的方法多是采用单轴拉伸蠕变试验,这需要制备较多试样,而采用纳米压痕技术则使得在小体积钎料上研究其蠕变性能成为可能.

从载荷—位移曲线进行分析,在最大载荷Fm处保持一段时间,如压入深度继续增加则说明材料发生了蠕变,载荷保持期间的压入深度即蠕变位移.通过对F-h曲线进行研究可得到钎料的蠕变性能参量,假设蠕变特征可由以下方程表示,即

?=σ+bσnε

E

?mσ=Eε+b'ε

(5)(6)

Nix方法研究蠕变速率敏感指数及根据Mayo-蠕变应力敏感指数等蠕变性能,具有测试方法简便,而且推导结果并不受加载速度影响等优点.

3试验结果与分析

Cu-Ni焊点中的金属间化合物(Cu,对Sn-Ni)6Sn5进行了多次纳米压痕试验,图3列出了压痕过程中典型的载荷—位移曲线,从而可得到其压痕

硬度为5.59GPa±0.32GPa,弹性模量为113.2GPa±4.8GPa,Ag-Cu焊点中Cu6Sn5化合这与Sn-.物的力学性能参量相差无几

Cu-Ni,Sn-Cu-Ni-0.05Ce和Sn-图4分别为Sn-Pb钎料基体在压痕过程中的载荷—位移曲线.从Sn-Cu-Ni-0.05Ce和Sn-Pb多次测试中得到Sn-Cu-Ni,

[6,7]

?为蠕变应变速率;m为蠕变速率敏感指数;n式中:ε

b'为材料结构相关的系数.为蠕变应力敏感指数;b,

3]

Nix方法[2,,根据Mayo-蠕变时间较长时,可得

到蠕变时间—蠕变位移的关系曲线(图2),图2中


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