SnPb钎料本构方程的建立与SMT焊点寿命预测

【摘要】： 有限元数值模拟是进行服役环境温度循环载荷下SMT焊点应力应变状态分析以及寿命预测的最有效方法之一。其中,钎料本构模式和寿命预测方法的选取直接决定着模拟结果的准确性,具有重要的理论研究价值。本文综合考虑钎料的应变硬化、蠕变变形和高温软化等特征,建立钎料的粘混合硬化本构关系,研究热循环加载下焊点内的应力应变场演变规律并进行寿命预测。 首先,采用混合硬化本构关系综合描述热循环加载下钎料的各向强化特征和循环加载的包申格效应,建立钎料的基于幂指数硬化模型的等向硬化增量本构关系和基于Ziegler双线性硬化模型的随动硬化增量本构关系,并利用MARC二次开发接口和Fortran语言开发用户子程序,实现了等向、随动、混合硬化三种本构关系的有限元计算。同时基于钎料的Darveaux蠕变方程,开发用户子程序定义钎料的粘性性质,得到了蠕变问题的有限元求解过程。 其次,在Darveaux焊点寿命预测模型的基础上,选取焊点整体的平均应变能密度作为主控力学参量对SMT焊点进行寿命预测,考虑了微小焊点的高约束度及网格密度对应力应变场的影响,利用二次开发接口提取单元应变能密度、单元体积等信息。 最后,研究钎料本构关系的选取及焊点形态对焊点力学行为和疲劳寿命的影响。焊点力学行为的模拟结果表明,元件与基板间隙高度处的焊根内侧产生应力集中,是焊点的薄弱部位;焊点内的应力应变分布具有温度历史相关性,但应变能密度分布基本不随时间变化,将其作为主控力学参量判断裂纹萌生及扩展位置具有代表意义。 焊点寿命预测结果表明,钎料本构关系的选取会对寿命预测结果产生重要影响。采用理想弹塑性本构关系的寿命预测结果最高;进一步考虑粘性时,非弹性变形增大,寿命略低;采用粘混合硬化钎料本构关系时,焊点具有明显的硬化特征,导致蠕变变形增大,进而使应变能密度显著增大,焊点寿命最低。由于粘混合硬化钎料本构关系考虑了钎料变形的多种影响因素,因此可将其寿命预测结果作为焊点可靠性设计的依据。随着焊点圆角形态从凹变凸,应力应变集中程度降低,焊点的寿命提高。