用内聚力模型研究PBGA封装焊点/IMC界面的分层开裂

塑料球栅阵列封装PBGA的可靠性分析中,考虑封装过程中SnAgCu焊料与铜焊盘界面间产生的金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)的影响,并引入内聚力模型(Cohesive zone model,CZM),利用ANSYS对热循环作用下焊点/IMC界面的脱层开裂情况进行研究.结果表明:热循环作用下,在封装器件中焊点承受较大的应力应变,且远离中心的外侧焊点具有比内侧焊点更大的应力应变.IMC的存在极大的降低了焊点的可靠性.界面分层最先发生在最外侧的IMC/焊点界面的两端,随着热循环次数的增加,分层逐渐沿着界面两端向里扩展.在热循环的前几个阶段,各个界面的最大损伤值增大较快,随着热循环的继续加载,界面最大损伤值逐渐趋于稳定.整个过程中四号焊点界面的损伤值始终最大.     

焊锡接点IMC层的扩散应力

钎焊过程中在焊锡接点中形成的金属间化合物(IMC)对焊锡接点可靠性具有重要影响。在原子扩散效应下,回流焊和等温时效过程中IMC层的生长会在其内部产生应力,其微结构也发生变化,致使IMC层和整个焊点的力学性能下降。本文基于扩散反应机制,研究了由于原子扩散产生的IMC层的扩散应力。首先建立了焊锡接点IMC层生长早期微结构特征的2界面(Cu/Cu6Sn5/Solder)分析模型,然后运用Laplace变换法求解扩散方程得到了Cu原子在IMC层中的浓度分布;采用把原子扩散作用转换为体应变方法,计算了IMC层在形成和生长过程中应力的解析解。结果表明：IMC层中的扩散应力为压应力,最大值位于Cu/IMC界面处,大小与扩散原子浓度密切相关;随着时效时间的增加,扩散应力增大,但最终趋于稳定并沿IMC厚度方向线性变化。     

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。     

跌落冲击载荷下焊锡接点金属间化合物层的动态开裂

跌落冲击载荷作用下,含铅焊锡接点与无铅焊锡接点的破坏模式明显不同,而导致这种差异的原因目前尚不明朗。本文提出了一种可用于模拟焊锡接点在跌落冲击载荷下破坏行为的有限元模型,此模型中,金属间化合物（IMC）与焊料间的界面采用粘性区模型（CZM）来模拟其损伤开裂过程,而IMC层内的破坏程度则通过计算其能量释放率来判断。通过对板级封装跌落冲击过程的数值模拟发现,与无铅焊锡接点（Sn3.5Ag）相比,含铅焊锡接点（Sn37Pb）与IMC间的CZM层更容易发生损伤破坏,而该层的开裂会减小IMC层的应力,即降低了其内部的裂纹驱动力,从而缓解了IMC层裂纹的起始和扩展。     

云纹干涉法现场测量技术及其在微电子封装中的应用

本文研制了多功能微观云纹干涉仪系统.该系统可以现场测量电子封装组件热疲劳、热湿耦合、热载荷引起的变形,被应用于电子封装组件的可靠性分析中.由现场云纹干涉技术测得的疲劳寿命与加速热循环实验的结果相吻合.本系统还被应用于铜焊点的断裂行为分析中.实验证明本系统可以测量多层结构材料的应力强度因子、应变能释放率以及位相角.     

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.     

充-岩界面耦合体爆破动力响应机理

充填采矿法的充填体与矿岩体构成的界面耦合结构体,受采矿爆破影响会持续受到动力扰动,在充-岩界面耦合处易产生脱粘、裂隙扩展等行为,为井下生产带来安全隐患。采用ANSYS/LS-DYNA建立了充-岩界面耦合体模型,分析了爆破作用对界面耦合体结构的力学影响,获取了不同界面粗糙度、充填体养护龄期和起爆方式等因素对爆破裂隙扩展及应力波峰值应力的影响,探讨了爆破动力作用机理。结果表明:（1）爆破冲击在界面耦合体中存在拉、压和剪3种力学作用,且随着界面粗糙度的提高,界面受力呈先上升后下降趋势;（2）随着充填体养护时间增长,界面破坏逐步从受拉转化成剪切损伤;（3）同时起爆对耦合界面的损伤比逐孔起爆的小。     

考虑损伤效应的双层结构界面蠕变应力分析

针对导致多层结构失效的界面应力问题,利用 ABAQUS 大型有限元程序,对比分析了线弹性、蠕变、蠕变-损伤条件下 Silicon/Epoxy 双层材料受到温度载荷作用时界面切应力和界面剥离应力的分布规律.分析结果表明:蠕变-损伤分析所得到界面切应力和界面剥离应力的结果要比线弹性有限元及蠕变有限元分析的结果小,其中线弹性分析得到的结果是三者中最大的;最大损伤出现在双层结构的界面边缘处,且损伤随着两种材料之间弹性模量差别的增大而增大;损伤沿界面的分布规律与界面剥离应力沿界面的分布规律类似.     

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．     

厚热塑性复合材料AS4/PEEK角铺设层合板的层间应力分析

将表征热塑性复合材料AS4 /PEEK非线性行为和应变速率相关行为的三维弹塑性模型通过程序加以实现。将程序计算结果和文献实验结果相比较可以发现,二者吻合较好,验证了所生成程序的有效性。计算了厚的AS4 /PEEK角铺设层合板[±25]s4在不同界面上的层间应力。由层间应力的三维分布图,分析了不同界面上层间应力的分布特征,并说明了可能引起层间分层的主要因素。     

Fatigue crack propagation life analysis of solder joints under thermal cyclic loading

Fatigue crack propagation life analysis of solder joints under thermal cyclic loadings was investigated by the strain energy release rate method using finite element analysis. A relationship between the crack-growth rate and the strain energy release rate was derived. Finite element simulations were carried out to investigate the effect of crack growth along the interface of solder and lead in a solder joint assembly. The crack propagation life of the solder joint with an interface crack was predicted from the derived relationship between crack growth rate and values of the strain energy release rate. It was found that crack propagation life is much higher than the crack initiation life.     

SMT solder joint's semi-experimental fatigue model

The low-cycle fatigue induced by thermal cycling is the major concern in the reliability of surface mounted technology (SMT) for electronic packaging; however, dynamic loading effects to solder joint fatigue life have not been thoroughly investigated. In fact, the high-cycling fatigue induced by vibration can also contribute a significant effect. In certain circumstances it can become the dominant failure case when semiconductor devices are used in a vibration environment. In this paper, according to random vibration theory, a random fatigue semi-experimental model of SMT solder joint in random vibration condition is created and a series of vibration fatigue experimental vehicles including PBGA256 assembly were conducted. Compared with random vibration test results, its results are good enough to predict solder joints' fatigue.     

QFP结构中引脚焊缝界面端的奇异性热应力问题研究

由于引脚、印制电路板和焊接剂的热-机材料属性不同,在受到热载荷或机械载荷时,引脚焊接界面端会产生奇异性应力,有可能产生界面开裂.为了基于界面端奇异场来评价QFP结构引脚界面端力学行为,本文拟采用数值方法求解引脚焊缝任意角度尖劈界面端的应力强度系数.具体步骤为:首先,基于高次内插有限元特征分析法确定两相任意角度尖劈界面端的奇异性指数和应力角分布函数,并引入常数热应力项,获得热-机耦合奇异性应力场表达式;采用有限元分析技术和最小二乘拟合法来获得应力强度系数的数值解.文中考察了热-机材料属性对热载荷下焊接剂/印制电路板界面端应力强度系数的影响,并给出改善界面端热应力状态的建议.     

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.      

304不锈钢室温和高温单轴循环塑性的实验研究

对304不锈钢进行了室温和高温单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。揭示和分析了循环应变幅值、平均应变及其历史和温度历史对材料应变循环特性的影响以及应力幅值、平均应力及其历史以及温度对循环棘轮行为的影响。也讨论了应变循环和应力循环间交互作用对材料循环塑性行为的影响。研究表明,无益单轴应变循环特性还是非对称单轴应力循环下的棘轮效应不仅取决于当前温度和加载状态,而且强烈依赖于其加载历史。研究得到了一些有助于304不锈钢室温和高温单轴循环行为本构描述的结果。     

Stress state characterization of delamination cracks in [0/90] symmetric laminates by BEM

The presence in a laminate of plies oriented at 90° with respect to the preferred direction of load generates almost immediately the appearance in these plies of cracks transverse to the load (parallel to the fibres in the lamina). These cracks reach the interface with the neighbouring ply, which in this paper will be considered oriented 0° with respect to the direction of the load. This may cause the bifurcation of the crack, which now appears propagating as a delamination crack between the two plies. The objective of this study is to characterize the stress state at the tip of both, the transverse crack in the 90° ply reaching the interface with the 0° ply, and the delamination crack for different lengths of the debonding. The analysis is performed by means of the Boundary Element Method allowing contact, without or with friction, to take place between the faces of the crack. The plies are considered as equivalent homogeneous bodies under a generalized plane strain state. The results are compared with those predicted by the open and contact models of Interfacial Fracture Mechanics. Accurate knowledge of the stress state at the neighbourhood of the tips of the cracks studied is necessary to generate failure criteria based on Fracture Mechanics parameters to predict the appearance and growth of the type of damage described.     

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。