MEMS焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)微觀疲勞失效與可靠性的SEM原位研究結(jié)題摘要

電路板（MEMS）中焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由三種不同材料封裝而成，其中連接材料（如焊點(diǎn)）在力/熱/濕環(huán)境影響下最容易發(fā)生失效，最終導(dǎo)致電路板整體可靠性降低并造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。研究焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的失效行為檢測、評價(jià)及控制等一直是研究和生產(chǎn)者追求的目標(biāo)。但由于電路板中的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)集成度高，結(jié)構(gòu)尺寸小，失效機(jī)制復(fù)雜，直接觀測十分困難；同時(shí)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成材料性能相差很大，塊體材料性能與微觀結(jié)構(gòu)變化使得理論與有限元分析與實(shí)際結(jié)果相差很大，阻礙了電路板整體可靠度的提升，僅依賴于加工經(jīng)驗(yàn)，難易保障電路板穩(wěn)定的品質(zhì)。本研究提出用SEM原位加載/熱的研究方法，對電路板小尺寸焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展及影響因素（尺寸、形狀、材料）進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析。研究表明：單個(gè)焊點(diǎn)和手機(jī)芯片復(fù)雜焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)失效行為特征：單個(gè)焊點(diǎn)的疲勞失效行為為：變形-開裂-脫粘；復(fù)雜芯片焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的失效行為：變形-失穩(wěn)-開裂。其中載荷類型的影響顯著，其中3點(diǎn)彎曲載荷下的失效臨界彎曲擾度為0.05mm；焊點(diǎn)形狀、幾何尺寸和排列方式主要影響電路板的剛度。研究得到了電路板剛度與焊點(diǎn)數(shù)的變化曲線關(guān)系，可以作為優(yōu)化設(shè)計(jì)電路板的依據(jù)。本研究的關(guān)鍵在于發(fā)展SEM原位檢測焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞失效的檢測方法及基板應(yīng)力/應(yīng)變與失效位置評價(jià)參數(shù)間的傳遞關(guān)系和有效表征法，其研究成果對改善現(xiàn)有電路板的布局有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 本研究全部完成了項(xiàng)目的預(yù)期成果。發(fā)表相關(guān)內(nèi)容的SCI論文7篇，標(biāo)注11072124資助的SCI論文12篇，國際會(huì)議論文1篇，國內(nèi)會(huì)議1篇。其中所發(fā)表的SCI論文影響因子全部大于1,2篇SCI論文影響因子大于2。 2100433B

電路板中焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由三種不同材料封裝而成，其中連接材料在力/熱/濕環(huán)境影響下最容易發(fā)生失效，最終導(dǎo)致電路板整體可靠性降低并造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。研究焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的失效行為檢測、評價(jià)及控制等一直是研究和生產(chǎn)者追求的目標(biāo)。但由于電路板中的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)集成度高，結(jié)構(gòu)尺寸小，失效機(jī)制復(fù)雜，直接觀測十分困難；同時(shí)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成材料性能相差很大，塊體材料性能與微觀結(jié)構(gòu)變化使得理論與有限元分析與實(shí)際結(jié)果相差很大，阻礙了電路板整體可靠度的提升，僅依賴于加工經(jīng)驗(yàn)，難易保障電路板穩(wěn)定的品質(zhì)。本研究提出用SEM原位加載/熱/濕的研究方法，對電路板小尺寸焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展及影響因素（尺寸、形狀、材料）進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析，最終給出具有一定可靠度的Excel表格形式的簡便、型號(hào)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測程序。本研究的關(guān)鍵在于發(fā)展SEM原位檢測焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞失效的檢測方法及基板應(yīng)力/應(yīng)變與失效位置評價(jià)參數(shù)間的傳遞關(guān)系和有效表征法

國內(nèi)的RF MEMS開關(guān)研究已經(jīng)有很大的進(jìn)步，很多已報(bào)道的開關(guān)都具有很優(yōu)良的性能，但與國外的研究相比，在性能和可靠性上還有一定差距，并且在結(jié)構(gòu)上還有些簡單，可靠性也有待提高，還有很多方面需要提高：

( 1) 由于電磁驅(qū)動(dòng)的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得磁場分布不均勻，漏磁比較多，必須研究優(yōu)化電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方法以減小功耗和提高驅(qū)動(dòng)力。

( 2) 為了能滿足射頻器件集成化和微型化的要求，電磁驅(qū)動(dòng)RF MEMS開關(guān)需要制作更小尺寸線圈。

( 3) 加快RF MEMS開關(guān)可靠性研究，金屬接觸以及開關(guān)失效原因的研究是提高開關(guān)壽命有效途徑。

( 4) 封裝問題是MEMS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商品化的前提，因?yàn)镸EM S產(chǎn)品容易受周圍環(huán)境的影響，RF MEMS電路正常工作很大程度上取決于由封裝所提供的內(nèi)部環(huán)境與保護(hù)。而有關(guān)MEMS封裝的研究還處于初級(jí)階段，MEMS器件的多樣性和非密封性往往需要為每種器件單獨(dú)開發(fā)相應(yīng)的封裝技術(shù)，需要在不影響MEMS器件性能的前提下，為設(shè)計(jì)者提供一系列標(biāo)準(zhǔn)化的封裝技術(shù)。

金屬零件產(chǎn)生疲勞斷裂的原因各不相同，歸納起來可以從內(nèi)因（材料的化學(xué)成分、組織、內(nèi)部缺陷、材料強(qiáng)韌化、材料的選擇及熱處理狀況等）和外因（零件幾何形狀及表面狀態(tài)、裝配與連接、使用環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷特性等）兩個(gè)方面來考慮。

1、表面狀態(tài)

表面的粗糙度對材料的靜強(qiáng)度影響不大，但對疲勞強(qiáng)度則有非常明顯的影響。承受彎曲疲勞及扭轉(zhuǎn)疲勞負(fù)荷的構(gòu)件，其表面應(yīng)力最高。大量疲勞失效分析表明，疲勞斷裂絕大多數(shù)起源于構(gòu)件的表面。因此，凡是制造工藝過程中產(chǎn)生各類裂紋（如淬火裂紋），尖銳缺口（如表面粗糙度不符合要求、加工刀痕等）都將導(dǎo)致疲勞裂紋的形成并降低構(gòu)件的疲勞壽命。表面粗糙度值越低，材料的疲勞極限越高，材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對疲勞極限的影響越顯著。

2、零件的幾何形狀及尺寸

零件的幾何形狀不合理，如存在槽、孔、圓角、缺口和螺紋等常見的外形不連續(xù)形式。由于外形不連續(xù)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。大的應(yīng)力集中對疲勞裂紋形成和擴(kuò)展有很大作用。

零件尺寸對疲勞強(qiáng)度也有較大的影響，在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下其影響更大。一般來說，隨著零件尺寸的增大，其疲勞極限下降。而且缺口試樣比光滑試樣的尺寸效應(yīng)更為顯著。

疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的原因，其一是尺寸增大會(huì)增加表面的各種缺陷，增大疲勞裂紋的萌生概率；其二是零件尺寸增大會(huì)降低彎曲、扭轉(zhuǎn)零件截面的應(yīng)力梯度，增大表層高應(yīng)力的體積，增加萌生疲勞裂紋的概率，因而其疲勞強(qiáng)度就降低。

3、裝配與連接效應(yīng)

裝配與連接效應(yīng)對零件的疲勞壽命有很大影響。正確的擰緊力矩可使其疲勞壽命提高5倍以上，過大的擰緊力并非對提高連接的可靠性有利。

4、載荷特性

零件所受的載荷應(yīng)力超過材料的疲勞極限時(shí)。定義為“超載”，低于疲勞極限的應(yīng)力稱為“次載”。對于高周疲勞，增大應(yīng)力則會(huì)出現(xiàn)：a容易產(chǎn)生多個(gè)裂紋；b疲勞條帶之間的距離增大；c最終瞬斷區(qū)的面積增大。而金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下先運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強(qiáng)化作用稱為次載鍛煉。這種現(xiàn)象可能是應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應(yīng)力集中松弛的結(jié)果。

不同零件在工作時(shí)具有不同的載荷頻率，載荷頻率在一定范圍內(nèi)可以提高疲勞強(qiáng)度，這可能是和每一周次的塑性應(yīng)變累積損傷量不同有關(guān)。

實(shí)際零件在工作時(shí)都是非連續(xù)（有間歇）運(yùn)行的，當(dāng)加載應(yīng)力低于并接近于疲勞極限時(shí)，間歇加載提高疲勞效果比較明顯，而間歇超載加載則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。因?yàn)樵诖屋d時(shí)有疲勞強(qiáng)化，間歇可進(jìn)一步應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化，故能提高疲勞強(qiáng)度；而在超載時(shí)因其損傷積累有疲勞弱化，間歇也不起作用。

5、材料的組織和性能

抗疲勞性能好的材料應(yīng)當(dāng)成分均勻，組織細(xì)小均勻，無內(nèi)在連續(xù)缺陷，缺口敏感性小，循環(huán)韌性大。

在各類結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高。在結(jié)構(gòu)鋼中，碳具有固溶強(qiáng)化及與碳化物元素有彌散強(qiáng)化的作用，可提高材料的形變抗力；而合金元素主要是通過提高鋼的淬透性和改善鋼的強(qiáng)韌性來影響疲勞強(qiáng)度，細(xì)化晶?？商岣咂趶?qiáng)度。鋼的熱處理組織中，細(xì)小均勻的回火馬氏體較珠光體加馬氏體及貝氏體加馬氏體混合組織具有更佳的疲勞抗力；鐵素體加珠光體組織鋼材的疲勞抗力隨珠光體組織含量的增加而增加；任何增加材料抗拉強(qiáng)度的熱處理通常均能提高材料的疲勞抗力。鑄鐵，特別是球墨鑄鐵，具有足夠的強(qiáng)度和極小的缺口敏感性，因此具有較好的疲勞性能。而非金屬夾雜物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲勞抗力降低。因此，金屬材料的組織不均勻性及其組織狀態(tài)不良，材料選用不當(dāng)或在生產(chǎn)過程中由于管理不善而錯(cuò)用材料是造成疲勞斷裂的重要原因。

6、使用環(huán)境

環(huán)境因素（低溫、高溫及腐蝕介質(zhì)等）的變化，會(huì)使材料的疲勞強(qiáng)度顯著降低，往往引起零件過早的發(fā)生斷裂失效。

一般來說，溫度降低、疲勞強(qiáng)度升高；溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低。這是因?yàn)榻饘俚淖冃慰沽ο陆?，使疲勞裂紋容易形成。高溫下金屬通常不存在疲勞極限。

腐蝕性環(huán)境對材料的靜強(qiáng)度雖然有一定的影響，但其影響程度遠(yuǎn)不如它對疲勞極限的影響。通常，對腐蝕環(huán)境敏感的材料，其疲勞性能降低比較顯著。如對于一般中等強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼，腐蝕環(huán)境可使其疲勞極限下降l/3~l/2。因此，腐蝕與疲勞疊加在一起，發(fā)生交互作用，于是腐蝕疲勞極限比在無腐蝕條件下的疲勞極限低。2100433B

英文：fatigue failure

機(jī)械的疲勞失效是機(jī)械失效的主要失效方式，因此對機(jī)械失效的主要研究是機(jī)械疲勞失效。目前，機(jī)械疲勞失效的研究有兩個(gè)方面:一是根據(jù)求出的載荷譜來確定加載程序在試驗(yàn)室或者試驗(yàn)臺(tái)上對機(jī)械進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得出機(jī)械（材料）的S——N曲線來分析機(jī)械（材料）的特性；二是根據(jù)機(jī)械（材料）的特性與載荷譜并且用Miner準(zhǔn)則來估計(jì)機(jī)械的疲勞壽命。無論是做疲勞試驗(yàn)還是估計(jì)疲勞壽命，載荷譜的統(tǒng)計(jì)都是關(guān)鍵。

在現(xiàn)代測試技術(shù)中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)來處理測試信號(hào)已經(jīng)是現(xiàn)代測試技術(shù)的標(biāo)志，利用A/D轉(zhuǎn)換板將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣，得出數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，利用編寫的相應(yīng)程序來處理數(shù)字信號(hào)。

現(xiàn)機(jī)械工程領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)載荷譜的主要方法就是雨流計(jì)數(shù)法。但是傳統(tǒng)的雨流計(jì)數(shù)法在對載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的時(shí)候需要將信號(hào)從最大值或者最小值處分開，前后兩段進(jìn)行首尾對接后才能夠進(jìn)行雨流法計(jì)數(shù)。利用這種方法需要先采集完信號(hào)才能夠處理，在長時(shí)間的試驗(yàn)中，需要海量的存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，給試驗(yàn)帶來了諸多的不便。通過對雨流法計(jì)數(shù)模型的改進(jìn)，可以在采樣的時(shí)候就開始進(jìn)行雨流法計(jì)數(shù)，將滿足計(jì)數(shù)條件的點(diǎn)刪除，不影響剩下的點(diǎn)，并且在試驗(yàn)的同時(shí)還可以看到大致的載荷譜，在試驗(yàn)結(jié)束后，能夠很快求出完整的載荷。