无铅焊料的力学性能研究及ANAND本构参数确定

根据ASTM E8M-04标准,对两种无铅焊料91.5Sn8.5Sb和95.5Sn3.8AgO.7Cu分别在15℃、75℃、150℃温度下和10-5s～10-2s十种应变速率下进行了一系列恒定应变速率的拉伸试验.分析了这两种无铅焊料的粘塑性力学行为.实验表明这两种无铅焊料具有温度和应变速率相关性.采用统一型Ahand粘塑性本构式,描述了这两种无铅焊料的非弹性率相关的变形行为,并基于非线性拟合程序确定了Anand粘塑性本构式的九个材料常数.结果表明Ahand式能有效描述无铅焊料的粘塑性行为,可应用于电子封装无铅焊点的可靠性模拟和失效分析.     

锡铅钎料粘塑性行为及其本构描述

随着航天事业的发展，航天电子产品使用环境变得越来越复杂苛刻，对焊点可靠性要求日益提高，因此，研究焊点材料服役环境下的本构关系对于分析焊点性能、准确预测焊点可靠性具有重要意义．本文分析锡铅钎料Sn63Pb37在-45~150 ℃温度范围内和10-5~10-3/s应变率范围内的粘塑性行为，在此基础上，建立了修正的Anand本构模型．通过构建材料参数与温度的函数关系，提升Anand本构模型在不同环境温度尤其是低温环境下对材料应力-应变关系的预测能力，为航天电子产品可靠性设计提供技术支撑．     

热循环加载条件下空洞对EBGA焊点可靠性的影响

空洞是球栅阵列(BGA：Ball Grid Array)器件在装配过程中形成的主要缺陷之一，本文以增强性BGA(EBGA：Enhanced BGA)为研究对象，采用统一型粘塑性Anand本构方程描述Sn63Pb37的粘塑性力学行为，应用非线性有限元的方法分析了不同位置和大小的空洞对焊点疲劳寿命的影响，为制定装配后的BGA焊点接收标准提供理论参考。     

考虑空洞效应的共晶钎料合金粘塑性-损伤本构模型

在温度298K～398K和恒应变率10-5/s～10-3/s范围内进行一系列的拉伸实验,研究共晶焊料的力学行为,揭示空洞成核和生长变形机理的存在.提出一种考虑孔洞效应的粘塑性-损伤模型,基于Guron-Tvergaard-Needleman思想和正交法则,引入孔洞体积分数作为损伤变量以描述共晶钎料的力学特性.与实验数据比较,验证粘塑性-损伤模型对锡铅合金在恒应变率和稳态塑性流动条件下应力应变行为的预测能力.结果表明,该模型能够有效描述共晶焊料的本构行为:非线性、应变率敏感性、空洞损伤演化,并可用于分析电子封装中焊点的可靠性问题.     

温度循环应力剖面对QFP焊点热疲劳寿命的影响

采用统一型粘塑性Anand本构方程描述了QFP(四方扁平封装)焊点的粘塑性力学行为，利用有限元分析软件建立组装在印制电路板上QFP的有限元模型，通过研究焊点内部总应变范围的变化进而研究温度循环应力剖面各个参数对焊点热疲劳寿命的影响，为设计合理的温度循环应力剖面提供了理论依据。     

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究

在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验。研究了在具有不同保持时间、不同应变率、不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响。基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟。实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率、保持时间以及应变幅值依赖性。本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为。     

96.5Sn-3.5Ag 钎料合金的含非比例度的多轴时相关本构模型研究

基于96.5Sn-3.5Ag钎料合金的多轴时相关变形行为,提出了一个考虑其多轴变形特性的本构模型.在该模型背应力演化方程中,引入了非比例度对背应力演化率的影响,并提出了模型参数的确定方法.在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了十字形、双三角形及椭圆形等拉扭组合非比例循环应变路径下的变形行为的本构模拟,并将预言结果与实验结果进行了比较.预言结果表明,该模型对于96.5Sn-3.5Ag钎料合金的多轴应变循环变形行为具有很好的预言能力.     

Sn60Pb40钎料合金的具有蠕变和塑性边界的粘塑性本构方程

采用具有蠕变和塑性边界的粘塑性本构方程对Sn-Pb共晶合金的基本力学行为进行了模拟和预测。结果表明：在较宽的外部变量范围（应变率为10^-5-10^-2S^-1,温度为－55－125℃）内,模拟结果与实验结果吻合良好。证明了该方程用于描述Sn-Pb共晶合金的力学行为具有良好的预测能力。     

Sn—Pb共晶钎料合金的Bodner—Partom本构方程

采用Ｂｏｄｎｅｒ－Ｐａｒｔｏｍ粘塑性本构理论研究了Ｓｎ－Ｐｂ共晶合金的本构方程。在应变速率１０－５—１０－２Ｓ－１、温度为－５５—１２５℃的外部变量范围内进行了单轴拉伸和稳态蠕变数值模拟，结果与实验吻合良好。同时讨论了该本构方程用于ＳＭＴ焊点热循环寿命预测的实际意义。     

铝-锂合金应变率负敏感效应及动态韧性现象

本文从实验上揭示了铝-锂合金奇特的应变率负敏感效应和动态韧性特性,并应用作者所建议的无屈服型粘塑性本构模型对其力学行为从理论上进行了描述和讨论。     

A thermodynamics based damage mechanics constitutive model for low cycle fatigue analysis of microelectronics solder joints incorporating size effects

Below certain length scales and in the presence of a non-uniform plastic strain field the mechanical behavior of many metals and its alloys is substantially different from that in bulk specimens. In particular, an increase in resistance with decreasing size has been observed in Pb/Sn eutectic solder alloys which are extensively used in microelectronics packaging interconnects. Due to the high homologous temperature, the Pb/Sn solder exhibits creep–fatigue interaction and significant time, temperature, stress and rate dependent material characteristics. The simultaneous consideration of all the above mentioned factors makes constitutive modeling an extremely difficult task. In this paper, a viscoplastic constitutive model unified with a thermodynamics based damage evolution model is embedded into a couple stress framework in order to simulate low cycle fatigue response coupled to size effects. The model is implemented into commercial finite element code ABAQUS. The microbending experiment on thin nickel foils is used to validate the model. Analyses are performed on a thin layer solder joint in bending under cyclic loading conditions.     

低成本基板倒装焊底充胶分层裂缝扩展研究

采用MIL-STD-883C热循环疲劳加载标准，通过电学检测方法测定了B型和D型两种倒装焊封装焊点寿命。并使用无损声学C-SAM高频超声显微镜技术观测这两种倒装焊封装在焊点有无断裂两种情况时芯片／底充胶界面的分层和扩展，计算得到分层裂缝扩展速率。在有限元模拟中采用粘塑性和时间相关模量描述了SnPb焊点和底充胶的力学行为。使用裂缝尖端附近小矩形路径J积分方法作为断裂力学参量得到不同情况下的界面分层裂缝顶端附近的能量释放率。然后由实验裂缝扩展速率和有限元模拟给出的能量释放率得到可作为倒装焊封装可靠性设计依据的Par—is半经验方程。     

焊锡材料的应变率效应及其材料模型

采用分离式霍普金森压杆和拉杆实验,研究了含铅Sn37Pb、无铅Sn3.5Ag和Sn3.0Ag0.5Cu3种焊锡材料在600~2200s^{-1}应变率下的力学性能,得到了它们在不同应变率下的应力应变曲线. 根据实验数据建立了3种焊锡材料的应变率无关弹塑性材料模型和率相关Johnson-Cook材料模型,并用于模拟板级电子封装在跌落冲击载荷下焊锡接点的力学行为. 结果表明,高应变率下无铅焊料比含铅焊料对应变率更敏感,其抗拉强度为含铅焊料的1.5倍,其韧性也明显高于含铅焊料;在跌落冲击过程中,焊锡接点经历的应变率可达到1000s^{ -1}左右;给出的率相关Johnson-Cook材料模型能预测出比率无关的弹塑性模型更合理的应力应变结果.      

用云纹干涉法研究金属焊点的热变形问题

本文采用现代光测力学的云纹干涉法，对铜－可伐焊接件热应变问题进行了实验研究，确定了焊层的热应变特征，结果表明：由于热膨胀系数不匹配、焊层存在复杂的应力状态，它不仅受到焊板材料对它的剪切作用，而且受到纵向拉伸、挤压作用。这对于认识微电子封装芯片焊层的热疲劳失效机理有重要意义     

基于纳米压入法Sn-Ag-Cu无铅焊料高温力学性能的研究

无铅化和微型化已经成为电子封装的发展趋势,温度对无铅焊点的可靠性产生了不可忽视的影响。本文对Sn96.5Ag3Cu0.5无铅焊料进行回流处理,采用纳米压入法研究其在实际工况下的高温力学性能。结果表明,温度对焊料试样的力学性能影响显著。随着温度的升高,弹性模量和硬度逐渐降低,焊料发生软化;较高温度下的蠕变应力指数较小,焊料的蠕变抗力降低,其相应的蠕变激活能为76kJ/mol。由此可知,随温度的升高,焊料的蠕变机制由位错攀移逐渐转变为晶界滑移。