電子封裝釬料合金耦合損傷時(shí)相關(guān)多軸本構(gòu)模型及疲勞失效模型研究.pdf

1、在電子封裝過(guò)程中以及服役條件下，各種材料間的熱不匹配常常使釬焊點(diǎn)受到很大的非彈性應(yīng)變及蠕變應(yīng)變，這使得釬焊點(diǎn)成為整個(gè)電子部件中最薄弱的一環(huán)，一旦某個(gè)釬焊點(diǎn)失效，就可能導(dǎo)致整個(gè)元件不能正常工作。釬焊點(diǎn)失效的主要形式為熱—機(jī)械疲勞與斷裂破壞，由于焊點(diǎn)服役條件的復(fù)雜性，其變形行為和應(yīng)力響應(yīng)也十分復(fù)雜。目前對(duì)釬焊點(diǎn)非比例循環(huán)變形和破壞的研究已成為電子封裝焊點(diǎn)可靠性和耐久性研究的主要難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)釬料的單軸循環(huán)變形和疲勞失效行

2、為進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但對(duì)釬焊點(diǎn)在多軸非比例加載下的循環(huán)變形行為及疲勞失效行為研究相對(duì)較少；對(duì)于低周疲勞壽命的估算多數(shù)還是采用經(jīng)典的疲勞模型，這些模型還不能解釋釬料屬性在不斷加載過(guò)程中的衰壞現(xiàn)象；基于損傷力學(xué)概念的本構(gòu)模型和疲勞失效模型研究大多集中于單軸加載情形。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，可采用很多有限元軟件（如ABAQUS、ANSYS等）對(duì)工程構(gòu)件的循環(huán)變形行為和疲勞行為進(jìn)行模擬，然而有限元軟件本身所采用的經(jīng)典本構(gòu)模型對(duì)某些材

3、料在復(fù)雜加載條件下的循環(huán)變形行為模擬相對(duì)來(lái)講不夠準(zhǔn)確，因此有必要將新發(fā)展的理論模型進(jìn)行數(shù)值實(shí)現(xiàn)并移植到現(xiàn)有的有限元軟件中，進(jìn)而對(duì)一些工程結(jié)構(gòu)的循環(huán)變形行為和疲勞失效行為進(jìn)行較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，這可以促進(jìn)先進(jìn)理論模型在結(jié)構(gòu)分析和壽命評(píng)估中的應(yīng)用，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，開展電子封裝釬焊材料在多軸復(fù)雜加載下時(shí)相關(guān)循環(huán)變形行為及疲勞失效行為的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)展耦合損傷的時(shí)相關(guān)多軸本構(gòu)模型及疲勞失效模型并實(shí)現(xiàn)其有限元移植，不但為電子封裝技術(shù)的

4、進(jìn)一步發(fā)展提供重要的理論依據(jù)，而且為理論模型在工程分析和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 本文對(duì)63Sn-37Pb釬料合金開展了如下工作： 1．在室溫條件下，對(duì)63Sn-37Pb釬料合金在單軸和多軸應(yīng)變加載下的循環(huán)變形行為及低周疲勞失效行為進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了釬料在不同應(yīng)變率、保持時(shí)間、加載波形、應(yīng)變幅值以及不同非比例應(yīng)變路徑及其加載歷史下的循環(huán)變形行為及低周疲勞失效行為的基本特性，為相關(guān)理論模型的建

5、立奠定了基礎(chǔ)。此外，還進(jìn)行了簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件試樣的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，以便用于驗(yàn)證本文所提出的耦合損傷的時(shí)相關(guān)多軸理論模型用于釬料合金結(jié)構(gòu)分析的工程適用性。 2．基于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，在不可逆熱力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架下，以Sandia本構(gòu)模型及Yang粘塑性本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)定義損傷演化方程，并在流動(dòng)準(zhǔn)則中引入損傷變量，在隨動(dòng)硬化演化方程中引入靜力恢復(fù)項(xiàng)和非比例度，發(fā)展了用于非比例加載下的耦合損傷的時(shí)相關(guān)多軸本構(gòu)模型及疲勞失效模型。與模型相匹

6、配，采用了一套較簡(jiǎn)單合理的方法確定模型參數(shù)。模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明，發(fā)展的理論模型能夠較好地描述63Sn—37Pb釬料合金在單軸及多軸加載下的循環(huán)變形行為和疲勞失效行為，并能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料的低周疲勞壽命。 3．對(duì)新發(fā)展的本構(gòu)模型及疲勞失效模型，采用用戶子程序在大型有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行了有限元移植。通過(guò)本構(gòu)方程的簡(jiǎn)化和離散、隱式應(yīng)力積分更新內(nèi)變量，推導(dǎo)出用于整體迭代所需的一致切線剛度矩陣。采用移植后的ABAQU

7、S對(duì)材料在不同加載路徑下的循環(huán)變形行為進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了有限元移植的合理性。 4．用發(fā)展的理論模型對(duì)釬料結(jié)構(gòu)件試樣在多種非比例循環(huán)路徑下的低周疲勞行為進(jìn)行了有限元模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明：理論模型不但能較好地預(yù)言釬料結(jié)構(gòu)試樣的載荷響應(yīng)及載荷隨循環(huán)周次的不斷衰減，還能較好地預(yù)測(cè)其低周疲勞壽命。同時(shí)也表明：所發(fā)展的耦合損傷的時(shí)相關(guān)多軸理論模型不僅能較準(zhǔn)確地模擬釬料合金材料試樣的循環(huán)變形行為和低周疲勞失效行為，而且也能較好地預(yù)言