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电子封装钎料合金耦合损伤时相关多轴本构模型及疲劳失效模型研究

罗艳  
【摘要】: 在电子封装过程中以及服役条件下,各种材料间的热不匹配常常使钎焊点受到很大的非弹性应变及蠕变应变,这使得钎焊点成为整个电子部件中最薄弱的一环,一旦某个钎焊点失效,就可能导致整个元件不能正常工作。钎焊点失效的主要形式为热-机械疲劳与断裂破坏,由于焊点服役条件的复杂性,其变形行为和应力响应也十分复杂。目前对钎焊点非比例循环变形和破坏的研究已成为电子封装焊点可靠性和耐久性研究的主要难点和热点之一。近年来,很多学者对钎料的单轴循环变形和疲劳失效行为进行了大量的实验研究,但对钎焊点在多轴非比例加载下的循环变形行为及疲劳失效行为研究相对较少;对于低周疲劳寿命的估算多数还是采用经典的疲劳模型,这些模型还不能解释钎料属性在不断加载过程中的衰坏现象;基于损伤力学概念的本构模型和疲劳失效模型研究大多集中于单轴加载情形。此外,随着计算机技术的迅速发展,可采用很多有限元软件(如ABAQUS、ANSYS等)对工程构件的循环变形行为和疲劳行为进行模拟,然而有限元软件本身所采用的经典本构模型对某些材料在复杂加载条件下的循环变形行为模拟相对来讲不够准确,因此有必要将新发展的理论模型进行数值实现并移植到现有的有限元软件中,进而对一些工程结构的循环变形行为和疲劳失效行为进行较准确的数值模拟,这可以促进先进理论模型在结构分析和寿命评估中的应用,具有较高的工程应用价值。鉴于此,开展电子封装钎焊材料在多轴复杂加载下时相关循环变形行为及疲劳失效行为的实验研究,发展耦合损伤的时相关多轴本构模型及疲劳失效模型并实现其有限元移植,不但为电子封装技术的进一步发展提供重要的理论依据,而且为理论模型在工程分析和设计中的应用奠定了基础。 本文对63Sn-37Pb钎料合金开展了如下工作: 1.在室温条件下,对63Sn-37Pb钎料合金在单轴和多轴应变加载下的循环变形行为及低周疲劳失效行为进行系统的实验研究。通过对实验数据的分析,得到了钎料在不同应变率、保持时间、加载波形、应变幅值以及不同非比例应变路径及其加载历史下的循环变形行为及低周疲劳失效行为的基本特性,为相关理论模型的建立奠定了基础。此外,还进行了简单结构件试样的低周疲劳实验,以便用于验证本文所提出的耦合损伤的时相关多轴理论模型用于钎料合金结构分析的工程适用性。 2.基于实验研究结果,在不可逆热力学和连续介质力学框架下,以Sandia本构模型及Yang粘塑性本构模型为基础,通过定义损伤演化方程,并在流动准则中引入损伤变量,在随动硬化演化方程中引入静力恢复项和非比例度,发展了用于非比例加载下的耦合损伤的时相关多轴本构模型及疲劳失效模型。与模型相匹配,采用了一套较简单合理的方法确定模型参数。模型的模拟结果与实验结果比较表明,发展的理论模型能够较好地描述63Sn-37Pb钎料合金在单轴及多轴加载下的循环变形行为和疲劳失效行为,并能较准确地预测材料的低周疲劳寿命。 3.对新发展的本构模型及疲劳失效模型,采用用户子程序在大型有限元软件ABAQUS中进行了有限元移植。通过本构方程的简化和离散、隐式应力积分更新内变量,推导出用于整体迭代所需的一致切线刚度矩阵。采用移植后的ABAQUS对材料在不同加载路径下的循环变形行为进行了有限元分析,验证了有限元移植的合理性。 4.用发展的理论模型对钎料结构件试样在多种非比例循环路径下的低周疲劳行为进行了有限元模拟,与实验结果比较表明:理论模型不但能较好地预言钎料结构试样的载荷响应及载荷随循环周次的不断衰减,还能较好地预测其低周疲劳寿命。同时也表明:所发展的耦合损伤的时相关多轴理论模型不仅能较准确地模拟钎料合金材料试样的循环变形行为和低周疲劳失效行为,而且也能较好地预言钎料结构件试样在非比例加载路径下的循环变形行为和低周疲劳失效行为。这为本理论模型应用于电子封装钎焊点的疲劳失效分析、改进钎焊点可靠性分析方法奠定了基础。


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