随着先进封装技术的不断出现,焊点的可靠性问题也日益复杂。分析焊点可靠性最为精确的方法是选取大量的实际电子元件,使其处于实际的工作环境直至焊点失效,但该方法必然消耗大量的时间,而且成本极为昂贵。目前,最为常用的分析焊点可靠性的方法是在实验的基础上借助有限元分析的计算模拟,这就需要对焊点材料的力学性能有准确的理解。在实际处理时,多数方法是对块体材料进行力学性能测试,假设焊点模型采用弹性、双线性或三线性弹塑性关系,而忽略了焊点在跌落/冲击等载荷作用下表现出来的应变率效应和温度效应。随着电子工业的迅速发展,实际焊点的尺寸已达到微米甚至纳米量级,如要了解真实焊点的力学性能,就需要对实际焊点进行测试。本文对平面阵列封装中微小焊点在实际工况下所表现出来的力学性能以及受跌落冲击等载荷作用下焊点的可靠性方面展开了较为系统地研究。主要的工作与结果如下:1、采用纳米压痕法对微电子封装中经过回流焊工艺和未经回流焊工艺的无铅焊料小球Sn3.0Ag0.5Cu和锡铅焊料小球Sn37Pb进行了比对测试,记录实验测得的材料的载荷-位移曲线、位移-弹性模量曲线和位移-硬度曲线等。利用反分析测试原理和数值模拟方法,建立了焊点压痕实验中测得的关系曲线与其弹塑性材料参数之间的联系,提出了特征应力和特征应变的简便的计算方法,给出了无铅焊点和锡铅焊点特征应力的值,确定了此类材料的特征应变为εr=0.0252。进一步建立了微电子封装中真实无铅焊点的弹塑性本构关系。2、利用幂律强化蠕变本构方程ε= Cσn描述微电子封装中微小无铅焊点和锡铅焊点的蠕变力学性能。依据纳米压痕蠕变实验结果数据,采用无量纲分析法推导出了蠕变应变速率敏感指数的计算方法。结合数值模拟和量纲分析,利用搜索法求出蠕变本构方程ε= Cσn中的常系数C的值,从而确定了微焊点幂律强化蠕变本构方程。室温下蠕变压痕试验所得的压痕蠕变时间和蠕变位移量之间的关系曲线与数值模拟计算所得的结果吻合较好,表明稳态蠕变材料模型能够充分描述焊点的蠕变力学性能。3、利用分离式霍布金森压杆技术对无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu, Sn3.5Ag和锡铅焊料63Sn37Pb在-40℃～125℃和应变率1000s-1～4000s-1范围内进行一系列动态压缩实验。研究结果表明,三种材料的动态屈服强度均远大于静态屈服强度,随着应变率的提高,无论是锡铅焊料还是无铅焊料,其屈服强度和流动应力均明显的提高,表现出应变率效应;三种焊料合金的温度效应也是明显的,环境温度高于室温时,材料软化,强度减弱,反之则材料变硬,强度增大。拟合Johnson-Cook模型中的材料常数,从而给出了工程实用的考虑温度效应和应变率效应的焊料动态本构关系,为进一步研究电子产品的可靠性提供了研究基础。4、按照便携式电子产品板级跌落测试标准(JEDEC Standard JESD22- B111),建立板级VFBGA封装跌落/冲击问题的三维有限元模型,其中,焊点的材料模型采用由实验数据拟合得到的考虑应变率效应和温度影响的Cowper-Symonds材料模型表示,采用Input-G方法将冲击加速度曲线作为数值模型的载荷输入,对VFBGA封装在板级跌落条件下可靠性进行了分析,得到以下结论,在跌落冲击条件下,机械冲击引起的PCB板弯曲或振动是导致焊点跌落失效的根本原因;焊点材料的应变率效应和温度效应在数值模拟中不可忽略;BGA封装外围角点处焊点剥离应力最大,位于焊点靠近封装一侧,表明靠近封装一侧焊点部位容易开裂失效;以最大的剥离应力(peeling stress)作为跌落碰撞下焊点的失效准则,用Power原理建立的寿命预测模型,计算得到两种无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.5Ag的平均碰撞寿命分别为132.84和59.02,表明Sn3.0Ag0.5Cu焊点在跌落测试中表现出更强的抗跌落碰撞性能。