界面材料本構關系及界面的仿生強化研究.pdf

1、電子封裝芯片、仿生復合材料等結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。因其結合面附近材料的性質存在差異，結合材料的破壞一般始于界面層失效或界面剝離。無論是界面層失效還是界面剝離，整個結合材料將無法再滿足工程應用對其功能和可靠性的要求。而解決其可靠性問題，一方面涉及到如何描述新材料中界面層的力學特性;另一方面關系到如何從復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，本文就以上問題提出以下創(chuàng)新點和解決途徑:
　　 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℃范圍內的等效彈性模量和屈服強度。參考靜態(tài)拉伸測試的結果，通過系統(tǒng)的蠕變測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。
　　 接著以熱疲勞實驗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

3、始起裂，通過測量芯片的管壓降并輔以微觀結構觀察的方法，得出基于工程應用和結構完整性的芯片裂紋萌生壽命。運用已有的數(shù)值模擬方法，擬合出預測芯片疲勞壽命的Coffin-Manson經(jīng)驗公式。
　　 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)蠕變模型的基礎上提出新的加權形式的本構關系。該本構關系系統(tǒng)考慮了釬料在復雜應力、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。通過數(shù)值模擬分析，論證了傳統(tǒng)的本構關系在預測低

4、溫蠕變和低溫循環(huán)壽命時可能存在的誤差。
　　 最后，就界面連接問題提出了一種全新的界面仿生強化方法。這一方法的靈感來自生物材料本身奇特的界面構造。通過仿生設計出幾種具有代表性的界面幾何造型，從而將界面兩側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、分形結構等因素對結合材料整體強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，即使界面處于無粘結力、無摩擦的最差狀態(tài)，僅通過幾何造型鎖定的界面可讓模型在單向拉伸荷載下達到理想強度的