界面材料本構(gòu)關(guān)系及界面的仿生強(qiáng)化研究.pdf

1、電子封裝芯片、仿生復(fù)合材料等結(jié)合材料將不同的材料按一定規(guī)律組合在一起，在整體上得到單一材料所不具有的多功能特性。因其結(jié)合面附近材料的性質(zhì)存在差異，結(jié)合材料的破壞一般始于界面層失效或界面剝離。無(wú)論是界面層失效還是界面剝離，整個(gè)結(jié)合材料將無(wú)法再滿(mǎn)足工程應(yīng)用對(duì)其功能和可靠性的要求。而解決其可靠性問(wèn)題，一方面涉及到如何描述新材料中界面層的力學(xué)特性;另一方面關(guān)系到如何從復(fù)雜的材料組合中選擇優(yōu)化的材料層數(shù)、組合順序以及界面連接形式。
　　

2、因此，本文就以上問(wèn)題提出以下創(chuàng)新點(diǎn)和解決途徑:
　　 文章先以電子封裝芯片中的界面層材料—Pb5Sn、Sn3Ag0.5Cu釬料為例，在靜態(tài)拉伸中得到兩種釬料在-40℃～120℃范圍內(nèi)的等效彈性模量和屈服強(qiáng)度。參考靜態(tài)拉伸測(cè)試的結(jié)果，通過(guò)系統(tǒng)的蠕變測(cè)試得到釬料的蠕變性能，尤其是以往常被忽略的釬料在低溫區(qū)的蠕變性能。
　　 接著以熱疲勞實(shí)驗(yàn)考察電子封裝芯片中界面層的低周疲勞破壞。在熱循環(huán)荷載下，疲勞裂紋從釬料層的界面端附近開(kāi)

3、始起裂，通過(guò)測(cè)量芯片的管壓降并輔以微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察的方法，得出基于工程應(yīng)用和結(jié)構(gòu)完整性的芯片裂紋萌生壽命。運(yùn)用已有的數(shù)值模擬方法，擬合出預(yù)測(cè)芯片疲勞壽命的Coffin-Manson經(jīng)驗(yàn)公式。
　　 基于前面兩步的工作，在傳統(tǒng)的雙曲正弦蠕變模型和冪函數(shù)蠕變模型的基礎(chǔ)上提出新的加權(quán)形式的本構(gòu)關(guān)系。該本構(gòu)關(guān)系系統(tǒng)考慮了釬料在復(fù)雜應(yīng)力、溫度組合下的蠕變規(guī)律，特別是已有研究中被忽略的低溫蠕變規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬分析，論證了傳統(tǒng)的本構(gòu)關(guān)系在預(yù)測(cè)低

4、溫蠕變和低溫循環(huán)壽命時(shí)可能存在的誤差。
　　 最后，就界面連接問(wèn)題提出了一種全新的界面仿生強(qiáng)化方法。這一方法的靈感來(lái)自生物材料本身奇特的界面構(gòu)造。通過(guò)仿生設(shè)計(jì)出幾種具有代表性的界面幾何造型，從而將界面兩側(cè)的剛性相和柔性相鎖定在一起。在有限元分析中系統(tǒng)地討論了幾何造型的形狀、尺寸、分形結(jié)構(gòu)等因素對(duì)結(jié)合材料整體強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，即使界面處于無(wú)粘結(jié)力、無(wú)摩擦的最差狀態(tài)，僅通過(guò)幾何造型鎖定的界面可讓模型在單向拉伸荷載下達(dá)到理想強(qiáng)度的