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微电子封装中无铅焊料的损伤模型和失效机理研究

周俊  
【摘要】: 由于铅和含铅化合物的毒性对人类环境和健康的危害,以及法律、法规的限制,在微电子封装中使用无铅焊料已经成为不可避免的趋势。焊点作为组件和PCB板(Printed circuit board)的机械、热和电气连接材料,对于电子封装的可靠性至关重要。因此,迫切需要准确理解无铅焊料的力学响应和本构行为。目前大多数研究都是基于材料无缺陷的,并没有考虑微结构组织的演化和微损伤的影响。 本文基于细观力学和损伤力学的理论和方法,实验研究了无铅焊料的机械性能和微观损伤机理,考虑晶粒尺寸效应和空洞损伤,提出一种粘塑性—损伤本构模型,采用神经网络和嵌入序列二次规划法(SQP)的优化程序确定模型参数,以有限元软件ABAQUS的用户材料子程序(UMAT)为基础建立分析无铅焊料力学行为和损伤失效的数值仿真系统,通过与实验数据比较对提出的模型进行验证,并分析BGA(球栅阵列)封装中无铅焊点的损伤过程和可靠性问题。论文的主要工作与研究成果归纳如下: ①基于数字散斑相关方法(DSCM),建立了一种新的摄像控制实验系统用于评价无铅焊料Sn4.0Ag0.5Cu和SnSb8.5在室温~150℃和应变率10~(-5)/s~10~(-3)/s范围内进行一系列恒应变拉伸实验的力学行为,并通过扫描电镜(SEM)观察材料微结构演化和损伤机理。 ②基于Gurson—Tvergaard塑性势函数和正交法则,提出一种粘塑性—损伤本构模型分析空洞损伤对无铅焊料的可靠性和宏观力学性能的影响。通过在基体粘塑性流动准则中嵌入晶粒尺寸考虑了微结构的作用,并考虑了温度对材料性能的影响。引入空洞体积分数作为内损伤变量,作为材料疲劳寿命的直接反映。 ③以有限元软件ABAQUS的UMAT为基础建立分析无铅焊料的力学响应和损伤演化的数值仿真系统。通过结合实验和数值技术确定本构模型的参数:建立弹性B-P算法的多层前馈神经网络,并用神经网络的学习来代替有限元模拟,利用嵌入SQP算法的非线性优化程序确定模型参数。 ④模型预测结果与拉伸实验数据比较,表明粘塑性—损伤本构模型能准确的描述无铅材料的非线性、应变率敏感和损伤演化特征。进一步使用本文模型和数值仿真系统研究BGA封装中无铅焊点的热疲劳行为和损伤过程,分析结果为BGA封装的设计和可靠性分析提供了理论基础。


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