電子封裝熱-力載荷下粘塑性行為與失效研究.pdf

1、近年來，電子工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。各種封裝材料與結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，無鉛焊料替代錫鉛焊料成為不可避免的趨勢，以球柵陣列封裝為代表的表面貼裝技術(shù)以其成本低、集成度高、重量輕、功能強大等優(yōu)點正在逐步滲透到整個電子行業(yè)的各種產(chǎn)品之中。另一方面，電子封裝結(jié)構(gòu)中焊球的主要失效形式為熱疲勞和振動疲勞，因此需要對新型封裝材料與結(jié)構(gòu)在熱-力載荷作用下的響應(yīng)進行深入、系統(tǒng)的研究，進一步了解其熱粘彈塑性行為和失效的機理，為更好地提高封裝

2、結(jié)構(gòu)的可靠性提供必要的理論基礎(chǔ)和分析方法。本文在較為全面地把握了封裝材料和結(jié)構(gòu)的行為和失效的實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選取SnAgCu系列無鉛焊料和BGA封裝結(jié)構(gòu)為研究對象，開展這一課題的研究工作。主要內(nèi)容有:
　　1.以無鉛焊料Sn4Ag0.5Cu（簡寫成，SAC405）為對象，進行不同溫度和加載速率下的單軸拉伸實驗，分析焊料力學(xué)性能的與率相關(guān)性，探討加載條件對焊料性能的影響，確定焊料兩種本構(gòu)模型——統(tǒng)一型

3、Anand粘塑性模型和分離型粘塑性模型的適用性和材料參數(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合。
　　2.通過無鉛焊料SAC405在不同溫度、應(yīng)變幅和加載頻率下的拉壓疲勞實驗研究發(fā)現(xiàn)，影響焊料低周疲勞壽命的最主要因素是加載幅度，加載頻率和溫度對焊料疲勞壽命有一定影響。根據(jù)實驗結(jié)果，總結(jié)變化規(guī)律，用冪形式考慮頻率影響、用指數(shù)形式考慮溫度影響，提出一個修正的Manson-Coffin公式，該式簡便、與實驗符合良好。
　　3.根據(jù)Lemai

4、tre的損傷理論，采用各向同性損傷標量描述SAC405焊料的循環(huán)軟化，其與率相關(guān)的損傷演化參數(shù)η受加載的應(yīng)變幅度影響較大，隨著應(yīng)變幅的增加明顯提高，同時會隨著加載頻率的提高而微弱增加，而溫度對η的影響較小。根據(jù)試驗觀測，建立了雙冪形式的演化參數(shù)方程?；诜蛛x型粘塑性損傷本構(gòu)方程，結(jié)合等向強化模型和線性卸載定律，能夠模擬拉壓循環(huán)載荷下SAC405焊料的低周疲勞行為，實驗值與數(shù)值結(jié)果吻合良好。
　　4.將均勻化理論和高階逐層離散層板理

5、論相結(jié)合，建立用于具有非完全周期性細觀微結(jié)構(gòu)的帶有底充膠的BGA封裝結(jié)構(gòu)的熱彈-粘塑性雙尺度解析分析模型;采用宏、細觀瑞利—里茲法，將細觀求解域簡化為軸對稱問題，方法簡單高效，宏觀位移函數(shù)采用冪函數(shù)和級數(shù)函數(shù)線結(jié)合的設(shè)置方式，有很好的求解精度和收斂速度;在熱載荷作用下，焊球和底充膠界面處位移、應(yīng)變、應(yīng)力有局部明顯變化，雖然局部的位移數(shù)量級較小，但它所對應(yīng)的應(yīng)變、應(yīng)力卻是與宏觀應(yīng)力場同一數(shù)量級的，文中給出的雙尺度分析能夠解決這一困難，很好