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.      

电致失效力学

电致失效力学研究单调或交变电场载荷下由应力引起的失效行为,它包含了电致断裂、电致疲劳、电致迁移与电致损伤等新研究课题．本文概述了电致失效力学的领域与课题,并深入讨论了电致应变诱导断裂疲劳的机理及电迁移损伤的力电耦合过程．研究结果表明,电致失效力学可提供铁电陶瓷致动器和集成电路的若干关键设计参数．对铁电陶瓷多层共烧致动器,该分析提供其层厚、外加电场强度和交变电场循环周数．对集成电路内导线,该分析提供其允许电流密度和临界线长．      

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.     

高温升率下LY12铝合金拉伸破坏及其机理的研究

使用Gleeble1500热力模拟实验系统研究了温升率及其历史对LY12铝合金拉伸破坏的影响。对采用不同温升率加热到给定温度后的试件的拉伸试验表明,相同工作温度下经历较高温升率历史的试件的强度较低;以不同温升率对不同预载应力水平的试件快速加热直至破坏,发现预载应力相同时经历较高温升率试件的失效温度较低．对试件断口附近材料金相组织的分析表明,当工作温度或预载应力水平相同时,较高温升率下材料的微缺陷明显增加．高温升率造成的局部热失配及材料微观组织结构的损伤,不同温度、应力和时间下材料的再结晶程度等对材料的宏观本构行为及失效具有重要影响．     

铁电陶瓷电致疲劳失效的研究进展

铁电陶瓷是具备力电转换功能的典型高技术材料.本文概述铁电陶瓷电致疲劳失效的研究进展.首先介绍电致疲劳的定义和特点,然后讨论电致疲劳失效在不同尺度下的表现行为,包括宏观尺度下裂纹的疲劳扩展;细观尺度下裂纹的萌生;微观尺度下点缺陷在循环电场下的积聚.随即阐述了铁电陶瓷在循环电场下缺陷汇聚的理论分析,运用微结构演化方法计算了单个孔洞随畴界的移动距离,推导了循环电场下铁电陶瓷内点缺陷浓度的演化方程,给出了点缺陷浓度与其汇聚程度之间的定量关系,从而提出了贯通不同尺度的铁电陶瓷电致疲劳失效机理.      

碳/碳复合材料T型悬臂梁弯曲失效分析

首次对碳/碳复合材料T型结构件进行了悬臂梁弯曲试验。通过化学气相沉积工艺制备了宽度为40mm的T40试件和宽度为50mm的T50试件,分别对两种试件的损伤失效模式和弯曲应力进行了研究;根据结构破坏区域的应变随载荷增加的变化规律,得到了结构在弯曲过程中的损伤失效进程。结果发现,在悬臂梁弯曲载荷作用下,结构处于正应力和剪应力耦合状态,耦合应力会使宽厚比较小的结构件容易在腹板根部出现局部失稳现象。应用横力弯曲理论对结构破坏截面上腹板边缘的正应力和面内剪切应力进行了简单计算。结果表明:屈曲失效的T50试件比剪切型破坏的T40试件的最大弯曲正应力小22.93%,说明屈曲失效会使结构的弯曲强度大幅下降;而T50试件的最大剪切应力比T40试件的高31.46%,说明屈曲失效主要由材料的剪切性能控制。最后通过有限元方法对T50试件在发生剪切型破坏时的最大弯曲正应力进行了计算,计算结果与试验中发生压缩剪切破坏的T40试件相比仅相差3%,可以较好地表征T50试件的弯曲强度。     

高温超声拉压疲劳试件设计与温度自动控制

本文较深入地开展了高温环境条件下的超声拉压疲劳实验系统研究,深入分析了试件温度高精测量与自动控制和高温试件设计的关键问题。实验系统可以实现高温环境条件下大于1010周次超高周次的疲劳加载。本实验系统利用传统超声疲劳试验机,使用非接触式红外测温仪对试件温度进行实时动态监测,采用间歇振动的方法保证温度波动小于±3℃。实验结果显示,采用本系统得到的实验结果与传统疲劳加载方式的结果一致性很好。本文工作为进一步开展高温环境条件下金属材料高温超高周(1010周次)疲劳损伤和疲劳破坏机理研究提供了新的有效的平台。     

PZT压电陶瓷高温变形与失效的实验研究

随着工业设备集成化进程的加快,PZT压电陶瓷获得越来越广泛的应用,其工作环境也越来越复杂.例如,新一代节能环保型发动机中起致动作用的压电陶瓷叠层驱动器,工作时要承受力-热-电载荷的共同作用.因此,研究PZT压电陶瓷在高温下的变形与失效行为,对工业设计具有重要的指导意义.为此,本文利用自行搭建的压电陶瓷高温下电滞回线、蝶形回线和应力退极化曲线的测试装置,研究了PZT压电陶瓷在不同温度下的电致变形和应力退极化行为,得到了材料在不同温度下的电滞回线、蝶形回线、应力电位移曲线和应力应变曲线.实验结果表明,随着温度的升高,由电滞回线测得的剩余极化逐渐减小,蝶形回线逐渐变扁;由应力退极化产生的剩余极化和剩余应变也逐渐减小.极化量的改变是由材料的热释电效应(自发极化随温度的升高而减小)造成的,而应变量的变化是由晶胞畸变随着温度升高而减小所致.     

湿骨内动态力——电性质的实验研究

本文设计了一种研究骨力─电性质的测试装置。它既用来测量骨的静态力─电性质，又可用来测量骨的动态力─电性质。利用本装置对湿骨试件进行了测试，发现湿骨中压电效应也起作用。从实验上证明了在动态载荷作用下湿骨中的力─电电位主要来源于压电效应。     

基于压电阻抗技术的导管架平台的典型节点损伤检测试验研究

导管架平台长期在复杂海域条件下在位运行,其节点受循环载荷影响易受到疲劳损伤导致破坏。及时地发现微小裂缝对抑制裂纹的扩散展开和提高整个平台的安全性都具有重要意义。基于压电阻抗技术的基本原理与相关疲劳评价参数,对导管架平台上的四种典型的节点进行了疲劳加载试验;在试验过程中成功地发现了循环载荷作用下的亚毫米裂缝。通过提取PZT传感器电阻抗谱,利用峰值频率偏移量、均方根、平均绝对偏差、协方差、相关系数作为损伤识别指数,对试件的损伤程度进行了评估。本文试验结果对后期水下无损检测具有一定的工程指导意义。     

玻璃纤维增强型复合材料圆筒高温高压动态冲击断口形貌分析

为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度,分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验,从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品,在扫描电子显微镜下观察断口形貌,得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明:室温整体单轴拉伸断裂时,GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出;在高压瞬态冲击作用下,试样主要失效模式为纤维的脆性断裂,同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化,纤维与基体界面结合力降低,少数纤维熔融或软化附着在断口上,部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。     

利用红外热像技术快速确定材料疲劳极限

基于能量理论，阐述了利用红外热像方法确定材料疲劳极限的原理，并利用红外热 像仪对具有矩形截面的钢试件进行了疲劳试验，通过记录疲劳试验过程中试件表面的温度变 化，经处理后得到了该种材料的疲劳极限. 试验表明，利用红外热像技术可以快速、准确地 确定材料的疲劳极限. 同时，该方法还具有可靠、经济、便捷等优点.     

Transient thermal elastic fracture of a piezoelectric cylinder specimen

A finite piezoelectric cylinder with an embedded penny-shaped crack is investigated for a thermal shock load on the outer surface of the cylinder. The theory of linear electro-elasticity is applied to solve the transient temperature field and the associated thermal stresses and electrical displacements without crack. These thermal stresses and electrical displacements are added to the surfaces of the crack to form an electromechanical coupling and mixed mode boundary-value problem. The electrically permeable crack face boundary condition assumption is used, and the thermal stress intensity factor and electrical displacement intensity factor at the crack border are evaluated. The thermal shock resistance of the piezoelectric cylinder is evaluated for the analysis of piezoelectric material failure in practical engineering applications.     

爆炸载荷下仿贝壳结构的动态响应

贝壳珍珠层是一种具有高强度和高韧性的天然材料,这种优异的性能主要来源于多尺度、多层级的“砖泥”结构。本文受贝壳特殊结构的启发,构建了仿贝壳砖泥结构的有限元模型,并进行了爆炸实验。通过实验发现:在爆炸冲量为0.047 N·s时,试件发生灾难性破坏,使得中心处发生掉落,且伴随着试件夹持端的剪切破坏,与数值模拟结果具有良好的一致性。在实验基础上,对仿贝壳砖泥结构在爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。研究发现,在爆炸载荷下仿贝壳砖泥结构会产生五种不同的破坏模式,包括:Ⅰ,结构整体无损伤;Ⅱ,结构前表面无明显破坏,后表面发生破坏;Ⅲ,结构发生掉落型贯穿破坏,夹持端无剪切破坏;Ⅳ,结构发生小块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏;Ⅴ,结构发生大块掉落型贯穿破坏,夹持端发生剪切破坏。并且给出了不同破坏模式的临界阈值,单层砖泥结构的破坏阈值为0.019 N·s,五层砖泥结构的破坏阈值为0.047 N·s,当冲量超过破坏阈值时,试件发生灾难性破坏。研究分析了堆叠层数对仿生结构的力学响应,在同一冲量下,随着层数的增加,结构的破坏模式发生改变,由贯穿型破坏逐渐变为仅发生一定塑性变形。随着层数增加,结构的损伤阈值增加。最后提出仿贝壳砖泥结构的增韧机理主要有裂纹偏转和微裂纹。     

High-Rate Progressive Failure of Borosilicate Glass under Mechanical Confinement at High Temperatures

In this study, we experimentally determined the dynamic response of a damaged borosilicate glass at different temperatures, damage levels and confinement pressures. The initiation and evolution of damage during the loading process were also examined. An improved double-pulse loading Kolsky compression bar, integrated with a non-contact high temperature testing system and a single loading momentum trap system, was used to characterize the high-rate mechanical behavior of a damaged borosilicate glass. Specimen deformation was interrupted at different strain levels to reveal damage evolution with increasing strain. The results show that the equivalent flow strength of damaged borosilicate glass depends linearly on the hydrostatic pressure; however the variation of temperature has little effects on the strength. Through post-mortem SEM analysis, the failure in an intact specimen was found to be initiated in the form of axial splitting. Further loading on the splitted specimens induced catastrophic buckling of the columns which converted the specimens into small fragments. Shear zones became evident in the compacted fragments as deformation further accumulated. The propagation of the shear zones to the entire specimen eventually led to full comminution of the borosilicate glass material.     

L、T、十形截面型钢混凝土异形柱滞回性能对比分析

为了研究截面形状对型钢混凝土(SRC)异形柱滞回性能的影响,完成了4个L形、6个T形和2个+形截面SRC异形柱构件的低周反复荷载实验,并获取了此类构件的破坏形态和滞回曲线。在此基础上,对比分析了截面类型对SRC异形柱在耗能能力、变形性能及地震损伤等方面的影响。研究结果表明:型钢混凝土异形柱的破坏形态与剪跨比有关,剪跨比大的试件易发生弯曲型破坏,而小剪跨比的试件易发生剪切型破坏;L形柱的滞回环捏拢程度最大,其次为T形柱,最后为+形柱;+形柱和L形柱的相对受剪承载能力和耗能能力均比T形柱大;T形柱的变形能力要优于L形柱;型钢混凝土异形柱构件的相对损伤累积程度与柱肢数有关,其主要表现为随着柱肢数的增多,异形柱的损伤发展水平加快。     

光斑尺寸对K9玻璃近红外激光损伤阈值的影响

基于热弹性模型 ,用有限元法对不同光斑近红外激光辐照下K9玻璃样品中的温度和压力分布进行了计算。对厚 2mm、半径 10mm的圆片样品的计算结果表明 ,K9玻璃的损伤受表面环向拉伸应力的控制 ,光斑大小对损伤阈值有较大的影响 ,对光束总入射功率为 2 8kW的激光辐照 ,当光斑半径从 0 .4mm增加到 3mm时 ,损伤所需时间从 14ms增加到 1s。在一定光斑尺寸范围内 ,样品损伤 (表面拉伸断裂 )所需的激光功率密度在同一量级内变化 ,在更小光斑时 ,损伤时的最高温升趋于 5 6 5K。     

A comparison of electromigration failure of metal lines with fracture mechanics

Atoms constructing an interconnecting metal linein a semiconductor device are transported by electron flowin high density.This phenomenon is called electromigration,which may cause the line failure.In order to characterize theelectromigration failure,a comparison study is carried outwith some typical phenomena treated by fracture mechanicsfor thin and large structures.An example of thin structures,which have been treated by fracture mechanics,is silica optical fibers for communication systems.The damage growth ina metal line by electromigration is characterized in comparison with the crack growth in a silica optical fiber subjectedto static fatigue.Also a brief comparison is made betweenthe electromigration failure and some fracture phenomena inlarge structures.     

高温SHPB实验技术及其应用

介绍了高温分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验方法,建立了一套高温SHPB实验系统,利用该系统研究了温度对某种抗氢钢动态压缩力学性能的影响,实验温度最高达到1000 ℃,应变率为500～1000 s-1。仅对试件进行加温,并利用一套气动装置在加载前快速完成系统的组装,以尽量减小试件中温度分布的不均匀性。研究结果表明:该气动装置可以将加载前杆端与试件的完全接触时间控制在500 ms内;该抗氢钢的温度软化效应很明显,且温度敏感性随温度升高而下降。