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LTCC与PCB互联焊点热疲劳特性研究
一、引言
微电子技术的快速发展促使了高密度集成电路和微型模块的出现，而当今的微型模块主要采用两种互联技术，即压接或焊接。与压接技术相比，焊接具有较好的固定性和连接可靠性，在工业实际应用中更为常见。然而，焊接过程中会产生高温热应力，导致焊点的热疲劳破坏，影响电路性能。因此，研究焊点的热疲劳特性对于提高连接可靠性具有重要意义。
本文通过对低温共烧陶瓷(LTCC)和印刷电路板(PCB)的焊点热疲劳特性进行研究，探讨焊接对模块性能的影响，并从材料学、力学和物理学角度分析其机理，为焊接工艺的优化提供理论依据。
二、理论分析
1.焊点热疲劳机理
在焊接过程中，高温环境引起了焊点材料的热膨胀和冷却时的收缩。这样的胀缩使焊点受到热应力和残余应力的影响。当这些应力的强度超过焊点材料强度上限时，焊点就会产生裂纹和裂纹扩展，最终导致焊点破裂。因此，热应力和残余应力是焊点热疲劳破坏的主要原因。
2.焊点热疲劳实验方法
一般来说，热疲劳实验可采用热冲击试验法和温度循环试验法。前者考虑了高温环境下的热膨胀和热冷却引起的残留应力；后者则更好地模拟了实际工作环境下的温度变化。需要注意的是，焊点热疲劳实验要结合热应力分析和金相观察等技术，以确定热疲劳破坏的机理。
三、实验结果分析
1.实验条件
本实验采用4种不同的焊接条件，分别是:LTCC/LTCC、PCB/PCB、LTCC/PCB、PCB/LTCC，每组实验分别在260℃和320℃下进行200个热冲击或1000个温度循环。在实验中，焊接时间和焊点大小都是固定的。
2.实验结果
实验结果表明，焊接温度越高，焊点的热疲劳寿命越短。不同材料之间的焊接也对焊点寿命有影响。LTCC/LTCC和PCB/PCB连接具有更长的热疲劳寿命，而LTCC/PCB和PCB/LTCC连接的热疲劳寿命比较短。
除了焊接温度和材料类型，焊接空气气氛也会对焊点寿命产生影响。含有水分和有机化合物的气氛会加速焊点热疲劳破坏。
四、讨论
1.LTCC、PCB和焊接材料的选择
在选择LTCC、PCB和焊接材料时，需要考虑它们的热膨胀系数和线膨胀系数，以及它们的高温机械强度。应该选择具有相似热膨胀系数的材料来进行连接，同时需要确保焊点不会受到过大的热应力。
2.热疲劳寿命评估
需要进行热疲劳寿命评估，以确定焊接寿命是否符合工业要求。通常采用可靠性试验的方法，例如插头试验或加速老化试验。
3.热疲劳寿命预测
为了预测焊接寿命，需要利用数值方法和有限元分析等技术，来模拟焊接过程中的热应力和残余应力分布以及焊点的热疲劳性能。
五、结论
本文研究了LTCC和PCB互联焊点热疲劳特性，并通过实验结果和理论分析探讨了焊接对模块性能的影响和热疲劳机理。选择相似热膨胀系数和线膨胀系数的材料来进行连接减轻了焊点的热应力。对焊点进行热疲劳寿命评估和预测有助于提高连接可靠性。因此，在焊接工艺优化中，需要考虑材料的选择和热疲劳寿命评估和预测，以确保焊接的可靠性和稳定性。