无铅焊料合金压入蠕变性能参数表征研究

微互连焊点高温下的服役可靠性很大程度上决定了电子产品性能的优劣，本文通过微纳米压入法开展了典型无铅焊料合金Sn-3.0Ag-0.5Cu 的高温蠕变性能研究，采用“快速加载–保载–快速卸载”的测试方式获取不同温度下完备的蠕变行为，分析发现温度升高焊料软化加剧、蠕变变形更为明显；得到了焊料合金不同温度下的稳态蠕变应力指数n 与不同硬度下的蠕变激活能Q，分析了温度与硬度对二者的影响并给出激活能Q 与lnH之间的关系．     

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

金属铍的压缩变形行为

利用材料试验机及Hopkinson杆装置系统开展热等静压金属铍在不同温度下的静动态压缩力学行为研究,获得了温度、应变率对金属铍屈服强度和加工硬化行为的影响规律。结果表明:金属铍在压缩应力状态下呈现出良好的塑性,同时其力学性能具有显著的应变率敏感性与热软化效应,屈服强度和流动应力随应变率提高呈明显增大趋势,随着温度升高逐渐降低。同时,室温下其加工硬化行为随着应变增大表现为分段硬化特征,随温度升高则趋于理想塑性。最后,采用修正的Johnson-Cook本构模型对实验结果进行了拟合,模型计算结果与实验结果吻合较好。     

SUS304材料的小冲孔蠕变试验研究

小冲孔蠕变试验技术是一种采用微小试样、近乎无损地评定材料高温力学性能的新方法,本文应用小冲孔蠕变试验技术评定SUS304材料的高温力学性能。在不同温度下,对SUS304奥氏体不锈钢进行载荷范围为443N～513N的小冲孔蠕变试验,得到材料在不同试验条件下的蠕变曲线,通过中断试样的扫描电镜观察分析了试样的变形过程,讨论了影响小冲孔蠕变试验的主要因素。试验结果表明,从小冲孔实验获得的蠕变曲线与传统单轴拉伸蠕变实验的蠕变曲线具有一致性,都具有三个明显的蠕变阶段,利用小冲孔蠕变试验技术测试材料的高温性能是可行的。试验载荷越大,试样瞬时变形挠度越大,蠕变第二阶段速率越快,断裂时间越短。载荷、温度、试样厚度、环境是小冲孔试验的主要影响因素,对试验结果影响很大。     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明:试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明:单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

汽车玻璃高温蠕变特性的实验与理论研究

通过对汽车用挡风玻璃进行不同温度、不同应力水平下的单轴拉伸蠕变实验,揭示了其非线性蠕变变形特性.实验发现,不同温度和载荷下的蠕变曲线形状类似,高温(550℃～590℃)下该材料的减速蠕变变形不很明显,主要表现为稳态和加速蠕变变形,且其断裂数据符合Monkman-Grant关系,应力和温度对其影响不显著.基于实验结果,本文建立了非线性高温蠕变本构方程.理论预测与实验数据进行了比较,结果表明所提出的本构方程能较好地描述汽车玻璃高温蠕变变形的全过程.     

高温和高压对乙烷在氧气中爆炸极限影响的实验研究

获得高温、高压下可燃介质爆炸极限数值，对完善复杂工况下可燃介质燃爆安全理论、构建可燃介质爆炸防护技术提供支持。搭建了适用于开展高温、高压工况的20 L球形爆炸实验装置，测量了初始温度为20～270 ℃，初始压力为0.5～2.6 MPa下乙烷在氧气中的爆炸极限，分析温度、压力单因素对乙烷在氧气中的爆炸极限的影响以及温度和压力双因素的耦合影响。结果表明，随着初始压力和初始温度的提高，乙烷在氧气中的爆炸极限逐渐扩大。在温度小于140 ℃时，在高压和低压两种情况下，压力对乙烷爆炸上限的影响基本一致。在温度高于140 ℃时，压力的升高使乙烷爆炸上限升高，但其影响的效果逐渐减小。在初始压力小于1.6 MPa时，温度的升高使乙烷的爆炸上限升高，但其影响的效果变化很小。在压力大于1.6 MPa，温度高于140 ℃时，温度的升高使乙烷的爆炸上限升高，且其影响的效果逐渐增大。温度和压力的升高均使乙烷的爆炸下限降低，但其影响较小。初始温度和初始压力对乙烷在氧气中爆炸极限的耦合作用略小于两个因素作用的和，但大于单个因素的作用。通过拟合得到了C₂H₆/O₂爆炸极限随初始压力、初始温度变化的定量规律。     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

基于COMSOL的页岩蠕变过程中固热化耦合响应分析

在已有文献的基础上,建立了固热化耦合控制方程组,包括固体变形方程、能量守恒方程、质量守恒方程。以COMSOL为平台,引入化学反应工程,重点分析了温度梯度、溶质离子浓度的变化过程。化学腐蚀作用对温度的传输过程影响很大,由此引起岩石空隙出现,使岩石温度扩散较快,400h后使温度梯度降低并趋于平稳。温度梯度和化学反应耦合影响时间不同,温度对化学反应的影响在200h后才体现略明显,化学反应对温度梯度影响的时间是在400h后体现明显,温度升高使化学反应速率提高。在巷道蠕变过程中,pH=3的HCl溶液对岩石温度梯度的影响比pH=10的Na OH溶液对温度梯度的影响要强烈,因此岩石在酸性条件下的蠕变变形比在碱性条件下的蠕变变形大。所以多场耦合作用对巷道的稳定具有重要影响,为进一步研究多场耦合作用下深部巷道长期稳定性提供依据。     

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.      

SnPb钎料合金的粘塑性Anand本构方程

采用统一型粘塑性本构 Anand方程描述了电子封装焊点 Sn Pb钎料合金的非弹性变形行为 ,基于 Sn Pb 合金的弹塑性蠕变本构方程和实验数据 ,确定了6 2 Sn36 Pb2 Ag、6 0 Sn40 Pb、96 .5 Sn3.5 Ag和 97.5 Pb2 .5 Sn四种钎料合金 Anand方程的材料参数 ,验证了粘塑性 Anand本构方程对 Sn Pb合金在恒应变速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 ,Anand方程能有效描述 Sn Pb钎料的粘塑性本构行为 ,并可应用于电子封装 Sn Pb焊点的可靠性模拟和失效分析     

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。     

多物理场下FCBGA焊点电迁移失效预测的数值模拟研究

随着微电子封装技术的快速发展, 焊点的电迁移失效问题日益受到关注. 基于有限元法并结合子模型技术对倒装芯片球栅阵列封装(flip chip ball grid array, FCBGA)进行电-热-结构多物理场耦合分析, 详细介绍了封装模型的简化处理方法, 重点分析了易失效关键焊点的电流密度分布、温度分布和应力分布, 发现电子流入口处易产生电流拥挤效应, 而整个焊点的温度梯度较小. 基于综合考虑“电子风力”、温度梯度、应力梯度和原子密度梯度四种电迁移驱动机制的原子密度积分法, 并结合空洞形成/扩散准则及失效判据, 分析FCBGA焊点在不同网格密度下的电迁移空洞演化过程, 发现原子密度积分算法稳定, 不依赖网格密度. 采用原子密度积分法模拟真实 工况下FCBGA关键焊点电迁移空洞形成位置和失效寿命, 重点研究了焊点材料和铜金属层结构对电迁移失效的影响. 结果表明, 电迁移失效寿命随激活能的增加呈指数级增加, 因此Sn3.5Ag焊点的电迁移失效寿命约为63Sn37Pb的2.5倍, 有效电荷数对电迁移寿命也有一定的影响;铜金属层结构的调整会改变电流的流向和焊点的应力分布, 进而影响焊点的电迁移失效寿命.      

Anisotropic Mechanical Properties of SAC Solder Joints in Microelectronic Packaging and Prediction of Uniaxial Creep Using Nanoindentation Creep

In this paper, the mechanical properties and creep behavior of lead-free solder joints has been characterized by nano-mechanical testing of single grain SAC305 solder joints extracted from plastic ball grid array (PBGA) assemblies. The anisotropic mechanical properties characterized include the elastic modulus, hardness, and yield stress. An approach is suggested to predict tensile creep strain rates for low stress levels using nanoindentation creep data measured at very high compressive stress levels. The uniaxial creep rate measured on similarly prepared bulk (large) specimens was found to be of the same order-of-magnitude as the creep rate observed in single-grain BGA joints, with chararacteristically (slightly) higher creep strains measured during nanoindentation. This suggests that the same creep mechanism operates in both size domains. Electron backscattered diffraction (EBSD) and nanoindentation testing further showed that the modulus, hardness, and creep properties of solder joints are highly dependent on the crystal orientation.     

Reexamination of the solder ball shear test for evaluation of the mechanical joint strength

Ball shear tests were investigated in terms of the effects of test parameters, i.e., shear height and shear speed, with an experimental and non-linear finite element analysis for evaluating the solder joint integrity of area array packages. Two representative Pb-free solders were examined in this work: Sn–3.5Ag and Sn–3.5Ag–0.75Cu. The substrate was a common solder mask defined (SMD) type with solder bond pad openings of 460 μm in diameter. The microstructural investigations were carried out using scanning electron microscopy (SEM), and the intermetallic compounds (IMCs) were identified with energy dispersive spectrometry (EDS). Shear tests were conducted with the two varying test parameters. It was observed that increasing shear height at a fixed shear speed has the effect of decreasing shear force for both Sn–3.5Ag and Sn–3.5Ag–0.75Cu solder joints, while the shear force increased with increasing shear speed at fixed shear height. Shear heights that were too high had some negative effects on the test results such as unexpectedly high standard deviation values or shear tip sliding from the solder ball. Low shear height conditions were favorable for screening the type of brittle interfacial fractures or the degraded layers in the interfaces.     

Integrated numerical–experimental analysis of interfacial fatigue fracture in SnAgCu solder joints

In ball grid array (BGA) packages, solder balls are exposed to cyclic thermo-mechanical strains arising from the thermal mismatch between package components. Thermo-mechanical fatigue crack propagation in solder balls is almost always observed at the chip side of the bump/pad junction. The objective of the experimental part of this study is to characterize the bump/pad interface under fatigue loading. Fatigue specimens are prepared by reflowing Sn3.8Ag0.5Cu lead-free solder alloy on Ni/Au substrates. Obtained results show that fatigue damage evolution strongly depends on the microstructure. Applied strain and solder volume both have an influence on the fatigue damage mechanism. In the numerical part of the study, fatigue experiments are modeled using the finite element technique. A cohesive zone approach is used to predict the fatigue damage evolution in soldered connections. Crack propagation is simulated by an irreversible linear traction–separation cohesive zone law accompanied by a non-linear damage parameter. Cohesive zone elements are placed where failure is experimentally observed. Damage evolution parameters for normal and tangential interaction are scrutinized through dedicated fatigue tests in pure tensile and shear directions. The proposed cohesive zone model is quantitatively capable of describing fatigue failure in soldered joints, which can be further extended to a numerical life-time prediction tool in microelectronic packages.     

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.     

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。