電子封裝焊料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及焊點(diǎn)熱循環(huán)數(shù)值模擬研究.pdf

1、電子器件在服役條件下，由于器件內(nèi)部功率耗散和外部環(huán)境溫度的周期性變化，以及不同材料間的熱膨脹失配，在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生周期性的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)的破壞以及整個(gè)器件的失效。因此研究焊點(diǎn)材料高溫力學(xué)性能及其熱循環(huán)可靠性至關(guān)重要。 本研究在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“空氣冷卻電子封裝器件多物理場(chǎng)耦合熱設(shè)計(jì)優(yōu)化研究”(No.50376076)的資助下，對(duì)焊料的力學(xué)性能和焊點(diǎn)熱循環(huán)可靠性分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。 首先，對(duì)

2、焊料63Sn37Pb進(jìn)行了高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，得到不同溫度和應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線及各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出了描述材料粘塑性變形的Anand模型參數(shù)，且對(duì)部分參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行了擬合。通過(guò)與文獻(xiàn)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)，本文導(dǎo)出的Anand模型提高了預(yù)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變的能力。同時(shí)，其實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理方法為開(kāi)展無(wú)鉛焊料的研究打下了基礎(chǔ)。 對(duì)63Sn37Pb焊料進(jìn)行了較大溫度范圍和應(yīng)變范圍的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，分析了溫度對(duì)疲勞性能和疲

3、勞壽命的影響，擬合得到不同溫度下的Coffin-Manson疲勞壽命模型參數(shù)。所得模型將應(yīng)用到有限元模擬中焊點(diǎn)壽命的預(yù)測(cè)。 其次，對(duì)無(wú)鉛焊料96.5Sn3.5Ag進(jìn)行了較文獻(xiàn)更高溫下的拉伸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明該焊料的變形和拉伸性能與溫度和應(yīng)變率相關(guān)，通過(guò)與焊料63Sn37Pb的比較發(fā)現(xiàn)，該無(wú)鉛焊料具有更好的抗蠕變性能?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了焊料96.5Sn3.5Ag的Anand模型參數(shù)，通過(guò)模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，表明模型可以用于模擬

4、材料的粘塑性變形。 最后，應(yīng)用兩種焊料的Anand模型對(duì)CBGA封裝焊點(diǎn)進(jìn)行熱循環(huán)有限元模擬。結(jié)果表明：在熱循環(huán)的過(guò)程中，離模型對(duì)稱中心最遠(yuǎn)的焊點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變最大，且隨著熱循環(huán)而上下波動(dòng)。通過(guò)分析應(yīng)力應(yīng)變遲滯環(huán)，得到等效塑性應(yīng)變范圍，基于文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)所得疲勞壽命模型對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行熱疲勞壽命預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：本文實(shí)驗(yàn)所得模型可以在一定的實(shí)驗(yàn)條件下預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的疲勞壽命，基于不同文獻(xiàn)的疲勞壽命計(jì)算均表明，無(wú)鉛96.5Sn3.5Ag焊點(diǎn)的疲勞壽命高