MEMS焊点结构微观疲劳失效与可靠性的SEM原位研究

电路板（MEMS）中焊点结构主要由三种不同材料封装而成，其中连接材料（如焊点）在力/热/湿环境影响下最容易发生失效，最终导致电路板整体可靠性降低并造成浪费和环境污染。研究焊点结构的失效行为检测、评价及控制等一直是研究和生产者追求的目标。但由于电路板中的焊点结构集成度高，结构尺寸小，失效机制复杂，直接观测十分困难；同时焊点结构组成材料性能相差很大，块体材料性能与微观结构变化使得理论与有限元分析与实际结果相差很大，阻碍了电路板整体可靠度的提升，仅依赖于加工经验，难易保障电路板稳定的品质。本研究提出用SEM原位加载/热的研究方法，对电路板小尺寸焊点结构的疲劳裂纹萌生、扩展及影响因素（尺寸、形状、材料）进行试验和有限元分析。研究表明：单个焊点和手机芯片复杂焊点结构失效行为特征：单个焊点的疲劳失效行为为：变形-开裂-脱粘；复杂芯片焊点结构的失效行为：变形-失稳-开裂。其中载荷类型的影响显著，其中3点弯曲载荷下的失效临界弯曲扰度为0.05mm；焊点形状、几何尺寸和排列方式主要影响电路板的刚度。研究得到了电路板刚度与焊点数的变化曲线关系，可以作为优化设计电路板的依据。本研究的关键在于发展SEM原位检测焊点结构疲劳失效的检测方法及基板应力/应变与失效位置评价参数间的传递关系和有效表征法，其研究成果对改善现有电路板的布局有重要的工程应用价值。 本研究全部完成了项目的预期成果。发表相关内容的SCI论文7篇，标注11072124资助的SCI论文12篇，国际会议论文1篇，国内会议1篇。其中所发表的SCI论文影响因子全部大于1,2篇SCI论文影响因子大于2。 2100433B

电路板中焊点结构主要由三种不同材料封装而成，其中连接材料在力/热/湿环境影响下最容易发生失效，最终导致电路板整体可靠性降低并造成浪费和环境污染。研究焊点结构的失效行为检测、评价及控制等一直是研究和生产者追求的目标。但由于电路板中的焊点结构集成度高，结构尺寸小，失效机制复杂，直接观测十分困难；同时焊点结构组成材料性能相差很大，块体材料性能与微观结构变化使得理论与有限元分析与实际结果相差很大，阻碍了电路板整体可靠度的提升，仅依赖于加工经验，难易保障电路板稳定的品质。本研究提出用SEM原位加载/热/湿的研究方法，对电路板小尺寸焊点结构的疲劳裂纹萌生、扩展及影响因素（尺寸、形状、材料）进行试验和有限元分析，最终给出具有一定可靠度的Excel表格形式的简便、型号焊点结构寿命预测程序。本研究的关键在于发展SEM原位检测焊点结构疲劳失效的检测方法及基板应力/应变与失效位置评价参数间的传递关系和有效表征法

国内的RF MEMS开关研究已经有很大的进步，很多已报道的开关都具有很优良的性能，但与国外的研究相比，在性能和可靠性上还有一定差距，并且在结构上还有些简单，可靠性也有待提高，还有很多方面需要提高：

( 1) 由于电磁驱动的RF MEMS开关结构的特殊性，使得磁场分布不均匀，漏磁比较多，必须研究优化电磁系统的结构的方法以减小功耗和提高驱动力。

( 2) 为了能满足射频器件集成化和微型化的要求，电磁驱动RF MEMS开关需要制作更小尺寸线圈。

( 3) 加快RF MEMS开关可靠性研究，金属接触以及开关失效原因的研究是提高开关寿命有效途径。

( 4) 封装问题是MEMS产品实现商品化的前提，因为MEM S产品容易受周围环境的影响，RF MEMS电路正常工作很大程度上取决于由封装所提供的内部环境与保护。而有关MEMS封装的研究还处于初级阶段，MEMS器件的多样性和非密封性往往需要为每种器件单独开发相应的封装技术，需要在不影响MEMS器件性能的前提下，为设计者提供一系列标准化的封装技术。

金属零件产生疲劳断裂的原因各不相同，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。

1、表面状态

表面的粗糙度对材料的静强度影响不大，但对疲劳强度则有非常明显的影响。承受弯曲疲劳及扭转疲劳负荷的构件，其表面应力最高。大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起源于构件的表面。因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹（如淬火裂纹），尖锐缺口（如表面粗糙度不符合要求、加工刀痕等）都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。

2、零件的几何形状及尺寸

零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、缺口和螺纹等常见的外形不连续形式。由于外形不连续，就会产生应力集中。大的应力集中对疲劳裂纹形成和扩展有很大作用。

零件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着零件尺寸的增大，其疲劳极限下降。而且缺口试样比光滑试样的尺寸效应更为显著。

疲劳强度尺寸效应的原因，其一是尺寸增大会增加表面的各种缺陷，增大疲劳裂纹的萌生概率；其二是零件尺寸增大会降低弯曲、扭转零件截面的应力梯度，增大表层高应力的体积，增加萌生疲劳裂纹的概率，因而其疲劳强度就降低。

3、装配与连接效应

装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很大影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连接的可靠性有利。

4、载荷特性

零件所受的载荷应力超过材料的疲劳极限时。定义为“超载”，低于疲劳极限的应力称为“次载”。对于高周疲劳，增大应力则会出现：a容易产生多个裂纹；b疲劳条带之间的距离增大；c最终瞬断区的面积增大。而金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这种现象可能是应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。

不同零件在工作时具有不同的载荷频率，载荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度，这可能是和每一周次的塑性应变累积损伤量不同有关。

实际零件在工作时都是非连续（有间歇）运行的，当加载应力低于并接近于疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇超载加载则会降低疲劳强度。因为在次载时有疲劳强化，间歇可进一步应变时效强化，故能提高疲劳强度；而在超载时因其损伤积累有疲劳弱化，间歇也不起作用。

5、材料的组织和性能

抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感性小，循环韧性大。

在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高材料的形变抗力；而合金元素主要是通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合组织具有更佳的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织含量的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。铸铁，特别是球墨铸铁，具有足够的强度和极小的缺口敏感性，因此具有较好的疲劳性能。而非金属夹杂物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲劳抗力降低。因此，金属材料的组织不均匀性及其组织状态不良，材料选用不当或在生产过程中由于管理不善而错用材料是造成疲劳断裂的重要原因。

6、使用环境

环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。

一般来说，温度降低、疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降，使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳极限。

腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响，但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常，对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使其疲劳极限下降l/3~l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在一起，发生交互作用，于是腐蚀疲劳极限比在无腐蚀条件下的疲劳极限低。2100433B

英文：fatigue failure

机械的疲劳失效是机械失效的主要失效方式，因此对机械失效的主要研究是机械疲劳失效。目前，机械疲劳失效的研究有两个方面:一是根据求出的载荷谱来确定加载程序在试验室或者试验台上对机械进行疲劳试验，得出机械（材料）的S——N曲线来分析机械（材料）的特性；二是根据机械（材料）的特性与载荷谱并且用Miner准则来估计机械的疲劳寿命。无论是做疲劳试验还是估计疲劳寿命，载荷谱的统计都是关键。

在现代测试技术中，应用计算机来处理测试信号已经是现代测试技术的标志，利用A/D转换板将传感器的输出信号进行数字采样，得出数字信号，将数字信号输入计算机，利用编写的相应程序来处理数字信号。

现机械工程领域统计载荷谱的主要方法就是雨流计数法。但是传统的雨流计数法在对载荷进行统计的时候需要将信号从最大值或者最小值处分开，前后两段进行首尾对接后才能够进行雨流法计数。利用这种方法需要先采集完信号才能够处理，在长时间的试验中，需要海量的存储空间来存储数据，给试验带来了诸多的不便。通过对雨流法计数模型的改进，可以在采样的时候就开始进行雨流法计数，将满足计数条件的点删除，不影响剩下的点，并且在试验的同时还可以看到大致的载荷谱，在试验结束后，能够很快求出完整的载荷。