共晶焊后熱敏電阻的應(yīng)力分析及優(yōu)化

李長(zhǎng)安，牛玉秀，全本慶，關(guān)衛(wèi)林

（武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205）

1 引言

金電極負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻具有可靠性高、穩(wěn)定性好、精度高、電極不易氧化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光通信、家電、汽車、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的溫控傳感與控制，尤其是航空航天用光模塊等要求高可靠性和高穩(wěn)定性的產(chǎn)品[1]。在使用時(shí)，通常用金錫焊料（Au80Sn20，熔點(diǎn)為280 ℃）通過共晶焊的方式將其焊接在陶瓷基板上[2-3]，再通過金絲邦定與元器件引腳相連接。某型號(hào)熱敏電阻在共晶焊后，約有10%的熱敏電阻出現(xiàn)了阻值變大的情況。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察熱敏電阻的外觀，發(fā)現(xiàn)熱敏電阻的金電極間的磁材料上有裂紋產(chǎn)生。本文采用有限元分析法得到了熱敏電阻在共晶焊后的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)熱敏電阻上裂紋分布的位置與應(yīng)力分布的位置基本一致。進(jìn)一步研究焊料厚度對(duì)熱敏電阻應(yīng)力的影響，并對(duì)焊料厚度進(jìn)行優(yōu)化。通過觀察使用不同厚度的焊料共晶焊后得到的熱敏電阻的形貌，證明了通過增加焊料厚度可以減小熱敏電阻在共晶焊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，避免熱敏電阻發(fā)生開裂失效。

2 共晶焊后熱敏電阻的應(yīng)力分析

2.1 共晶焊后熱敏電阻失效現(xiàn)象

采用金錫焊料通過共晶焊將熱敏電阻焊接在陶瓷基板上，共晶焊后的熱敏電阻實(shí)物如圖1 所示，此時(shí)焊料的厚度為4 μm。

圖1 共晶焊后的熱敏電阻實(shí)物

完成共晶焊后，約有10%的熱敏電阻出現(xiàn)了阻值變大的情況。用SEM 對(duì)失效的熱敏電阻進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其有明顯的裂紋，熱敏電阻的裂紋位置及方向如圖2 所示。

圖2 熱敏電阻的裂紋位置和方向

2.2 共晶焊后熱敏電阻的應(yīng)力計(jì)算

采用有限元分析法分析在共晶焊過程中熱敏電阻上產(chǎn)生的應(yīng)力。共晶焊過程中熱敏電阻的應(yīng)力分析有限元模型如圖3 所示，模型包括氮化鋁陶瓷基板、金錫焊料、熱敏電阻3 個(gè)部分，各材料的參數(shù)如表1 所示。陶瓷基板的尺寸為3.4mm×2.2 mm×0.4 mm，熱敏電阻的尺寸為0.55 mm×0.55 mm×0.3 mm，金錫焊料的厚度為4 μm。有限元模型采用六面體線性單元，共207 478個(gè)節(jié)點(diǎn)、196 553 個(gè)單元。模型載荷條件如下：以金錫焊料的熔點(diǎn)280 ℃為參照溫度，此時(shí)，陶瓷基板、金錫焊料、熱敏電阻都處于零應(yīng)力狀態(tài)，然后溫度下降至25 ℃，計(jì)算整體結(jié)構(gòu)在降溫過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。

表1 材料參數(shù)

圖3 共晶焊過程中熱敏電阻的應(yīng)力分析有限元模型

在共晶焊冷卻過程中，金錫焊料會(huì)經(jīng)歷黏塑性變形，本文選擇Anand 模型描述金錫焊料的本構(gòu)關(guān)系[5-6]。Anand 模型反映黏塑性材料與應(yīng)變率、溫度相關(guān)的變形行為，以及應(yīng)變率歷史、應(yīng)變硬化和動(dòng)態(tài)恢復(fù)等特征。Anand 模型用流動(dòng)方程和演化方程描述焊料的黏塑性行為，其流動(dòng)方程為

形變阻抗s演化流動(dòng)方程為

其中，為形變阻抗的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，h0為材料應(yīng)變硬化參數(shù)，a為應(yīng)變敏感指數(shù)，s*為形變阻抗的飽和值，s*的表達(dá)式為

Anand 模型共有9 個(gè)參數(shù)，金錫焊料的Anand 模型參數(shù)如表2 所示。

表2 金錫焊料的Anand 模型參數(shù)[6]

熱敏電阻為陶瓷類脆性材料[7]，選取其應(yīng)力分布情況作為研究對(duì)象。完成共晶焊后的熱敏電阻的應(yīng)力分布情況如圖4 所示。從圖4 可以看出，熱敏電阻的4個(gè)角上的應(yīng)力較大。

圖4 共晶焊后熱敏電阻的應(yīng)力分布情況

為了進(jìn)一步探究應(yīng)力分布與實(shí)際裂紋分布的關(guān)系，熱敏電阻焊接面最大應(yīng)力分布的矢量顯示如圖5所示。對(duì)比圖2 中的實(shí)際裂紋方向和圖5 中最大應(yīng)力的矢量方向，可以看出，實(shí)際裂紋方向基本上與最大應(yīng)力方向正交，兩者比較吻合。這說明共晶焊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力是導(dǎo)致熱敏電阻開裂的主要原因。

圖5 熱敏電阻焊接面最大應(yīng)力分布的矢量顯示

3 熱敏電阻應(yīng)力的優(yōu)化

3.1 焊料厚度對(duì)應(yīng)力的影響

熱敏電阻與氮化鋁陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)不一致會(huì)在熱敏電阻上產(chǎn)生應(yīng)力，而金錫焊料對(duì)熱敏電阻與陶瓷基板的相互作用起到傳遞的效果。因此，金錫焊料對(duì)熱敏電阻的最大應(yīng)力有著重要影響。分別采用厚度為4～9 μm 的金錫焊料模型進(jìn)行仿真分析，得到熱敏電阻最大應(yīng)力與金錫焊料厚度的關(guān)系，如圖6 所示。從圖6 可以看出，隨著金錫焊料厚度的增加，熱敏電阻的最大應(yīng)力降低。

圖6 熱敏電阻的最大應(yīng)力與金錫焊料厚度的關(guān)系

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過加厚預(yù)制焊料增加共晶焊后金錫焊料的厚度，共制作了30 只樣品。共晶焊后所有的熱敏電阻未出現(xiàn)阻值增大的情況。通過SEM 進(jìn)行觀察，共晶焊后金錫焊料的厚度約為8 μm，熱敏電阻的側(cè)面外觀如圖7 所示，在熱敏電阻上未出現(xiàn)裂紋。

圖7 共晶焊后金錫焊料厚度為8 μm 的熱敏電阻側(cè)面外觀

4 結(jié)論

共晶焊過程中熱敏電阻會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，容易引起熱敏電阻開裂，從而導(dǎo)致熱敏電阻在共晶焊后阻值增大。試驗(yàn)結(jié)果表明，金錫焊料越厚，共晶焊過程中熱敏電阻產(chǎn)生的應(yīng)力越小。因此，可以采用增加焊料厚度的方法來防止熱敏電阻在共晶焊后開裂。該方法對(duì)改善熱敏電阻開裂失效具有一定的參考價(jià)值。