我们需使用微型夏比冲击设备进行跌落试验，并测量水平跌落和垂直跌落时的Δt。为此，主要的改变是将标准跌落试验中的大型印制电路板的弯曲振动转移到夏比冲击设备上梁或臂的弯曲振动。进行测试的一种方式是使用具有相同构造的另一个臂来替换刚性墙，即具有摆锤和加速度传感器的臂。图11.15台式跌落设备图11.16将刚性墙更换为另一个臂的跌落设备因此，冲击试验是自由下落的相反过程。......
2023-06-20
夏比（Charpy）冲击试验的作用及应用
【摘要】：接下来我们讨论经典的夏比冲击试验。图11.8夏比冲击试验的几何示意经典的夏比冲击试验是对块状钢样品的断裂韧性的标准试验，典型的测试试样是尺寸约为1 cm×1 cm×5 cm的矩形棒。在夏比冲击试验中，可通过可读角度指示器（针）的标尺来测量冲击前后的高度或角度。我们从夏比冲击试验中得知有三个关键因素会导致脆性断裂：低温、高速剪切和几何凹口。空穴形成可由相互扩散和电迁移引起。
无线、手持和移动消费电子产品是无所不在的，这些设备常见的失效原因是意外跌落到地面。该冲击往往会导致硅芯片及其封装模块之间的那些引线键合或焊料接头的界面断裂，特别是那些没有底部填充的BGA焊料接头。虽然键合线上的模塑料和倒装芯片焊料接头中的环氧树脂底部填充物可以有效防止芯片与其封装体的物理分离，但是由冲击引起的界面裂纹足以引起电路开路，因此不能忽略阴极界面处由电迁移引起的损伤和冲击引起的高速剪切应力共同作用下的焊料接头的可靠性。BGA焊料接头在跌落中发生断裂是一个主要问题，这是因为BGA焊球比倒装芯片焊球重得多，且没有底部填充的保护，跌落过程中，当扭矩作用于界面时，BGA焊料接头界面断裂失效的可能性要高很多。
目前，微电子工业关于自由落体实验有联合电子设备工程委员会（Joint Electronic Device Engineering Council，JEDEC）测试标准。在测试中，一个面积为13 cm×8 cm的板上组装有3×5面阵列的芯片尺寸封装基板，这个板与下落台一起自由下落。板的四个角固定在支座上，因此板可有弯曲振动。在跌落试验中，板水平放置。自由落下的冲击会引起板的弯曲和振动，这将导致基板的焊料接头界面处发生断裂。然而测试板的尺寸太大，因此对手持装置而言没有很大的参考意义，特别是当测试冲击对小尺寸封装基板的影响时。现在还没有标准的跌落测试设备和测试标准可用于测试小尺寸封装试样，例如芯片尺寸封装，其中1 cm2的倒装芯片被封装在相同尺寸的板上。11.5节中将进一步讨论跌落测试。接下来我们讨论经典的夏比冲击试验。
图11.8 夏比冲击试验的几何示意
经典的夏比冲击试验是对块状钢样品的断裂韧性的标准试验，典型的测试试样是尺寸约为1 cm×1 cm×5 cm的矩形棒。该试验通过测量在试样断裂前后摆锤的势能损失来测量试样的冲击韧性。机器的摆锤碰到试样背面时，在试样前侧会有一个缺口。冲击韧性是通过在试样中产生两个断裂面所消耗的能量来测量的。在大多数的体心立方金属（包括钢）中，存在韧性-脆性转变温度（Ductile-tobrittle Transition Temperature，DBTT）。金属在该温度之上是韧性的，但在该温度之下是脆性的。“泰坦尼克号”船可能在撞击冰山后沉没在冷水中，从而导致船体脆性断裂。夏比冲击试验可用来表征金属中的韧脆转变温度，从而获得其可应用温度的下限[3]。
冲击期间消耗的能量通过摆锤在撞击前后的重力势能变化来测量。潜在的能量变化通过初始摆锤高度h1和在摆动期间获得的最大高度h2之间的差值或者在冲击前后的高度差测量得到，如图11.8所示。
式中，m是摆锤质量（g）；g是重力常数或重力加速度（9.80 m/s2）；Δh＝h1-h2＝L（cosθ1-cosθ2），其中L是摆锤的长度，θ1和θ2分别是冲击前后摆锤的角度。势能的单位是N·cm。在夏比冲击试验中，可通过可读角度指示器（针）的标尺来测量冲击前后的高度或角度。角度的测量精度为0.5°~1°。对于块状样品及非常坚韧的材料，如钢筋，这样的精度已足够好。
我们从夏比冲击试验中得知有三个关键因素会导致脆性断裂：低温、高速剪切和几何凹口。当韧性材料的结构同时具有这三个因素时，其倾向于展示出脆性断裂行为。如果这些因素不存在，材料则保持延展性，除了如玻璃等本身就很脆的材料。大多数材料在低温下变脆，如纯锡在13℃时可从β-Sn（金属，具有体心立方晶格）缓慢转变成α-Sn（半导电，具有金刚石晶格）。由于该过程中摩尔体积变化极大，因此纯锡的低温相变（称为锡瘟）会导致结构断裂。尽管如此，对于共晶焊料接头在室温附近的绝大多数应用来说，由于这些合金高比温度的内在属性，因此第一个因素——低温是不用考虑的。但是当应用在非常寒冷的天气下时，它将是一个问题。关于第二个因素——高速剪切，由于跌落引起的失效涉及高速剪切，因此这是很严重的问题。因此，通过标准剪切试验，因为其剪切速度较低，所以其不能表征焊料接头在跌落过程中的脆性行为。为此，我们需要获得与跌落时一样快的冲击剪切来进行测试。第三个因素——几何凹口，表明在焊料接头中，如果在焊料凸点和其基板之间存在尖锐的角，则它的作用与凹口相同，且可能会引发韧性-脆性转变。然而，对于焊料接头而言，我们必须在接头界面处添加第四个因素，即金属间化合物和柯肯达尔孔洞形成。空穴形成可由相互扩散和电迁移引起。
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