无铅焊料SnAgCu疲劳损伤的研究与数值模拟

论文摘要

由于铅和铅合金的有毒性对人类环境和身体健康的威胁,以及全球无铅立法的限制,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板的热、机械和电气连接的焊接材料,其可靠性对于电子产品的使用寿命极为重要。因此,需要迫切掌握无铅焊料的力学响应、本构行为和失效机理。本论文选取无铅焊料SnAgCu作为研究对象,根据无铅焊料SnAgCu在不同温度和不同应变率条件下进行的恒应变率单轴拉伸实验数据,确定无铅焊料SnAgCu分离型本构模型七个材料参数,并进行了数值模拟。根据无铅焊料SnAgCu的拉-压循环疲劳实验数据,分析焊料疲劳损伤的演化规律,确定其损伤参数。利用分离型损伤本构模型,运用Fortran语言和非线性增量法,编程模拟了焊料循环载荷下的应力应变行为,分析和讨论加载条件对焊料的应力幅、塑性应变幅和累积塑性功的影响。利用有限元软件对BGA封装结构的振动进行非线性有限元数值模拟,观察BGA封装中整体无铅焊点的应力和应变分布情况,讨论并分析温度、加载频率和幅值对模拟结果的影响。基于有限元软件非线性振动模拟结果,利用Engelmaier疲劳模型对BGA封装结构中的无铅焊点进行寿命预测,分析加载条件对焊点寿命的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 微电子封装的技术与发展
• 1.2.1 微电子封装分级
• 1.2.2 微电子封装技术的发展
• 1.3 微电子封装中无铅焊料的使用
• 1.3.1 无铅焊料的使用背景
• 1.3.2 焊料无铅化所面临的挑战
• 1.4 焊料本构模型
• 1.4.1 基于材料无损的统一型本构模型
• 1.4.2 基于连续损伤力学的本构模型
• 1.5 微电子封装的研究现状
• 1.5.1 焊料热疲劳的研究现状
• 1.5.2 焊点低周疲劳的研究现状
• 1.5.3 BGA封装振动可靠性研究概况
• 1.6 本论文的主要工作
• 第2章 无铅焊料的分离型本构模型
• 2.1 单轴拉伸实验
• 2.1.1 测试试件
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.3 实验结果及分析
• 2.2 分离型本构模型
• 2.2.1 弹性行为
• 2.2.2 塑性行为
• 2.2.3 蠕变行为
• 2.3 Sn3.9Ag0.5Cu焊料分离型本构模型参数的确定
• 2.3.1 弹性模量
• 2.3.2 稳态蠕变参数
• 2.3.3 塑性模型
• 2.3.4 分离型本构模型参数
• 2.3.5 数值模拟结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 Sn3.9Ag0.5Cu焊料的疲劳损伤分析
• 3.1 Sn3.9Ag0.5Cu焊料拉-压疲劳实验
• 3.1.1 测试试件
• 3.1.2 实验设备
• 3.1.3 实验结果
• 3.2 无铅焊料的损伤演化模型
• 3.3 分离型损伤本构模型及数值模拟
• 3.3.1 分离型损伤本构模型
• 3.3.2 数值模拟
• 3.3.3 无铅焊料SnAgCu的数值模拟结果
• 3.4 不同载荷条件下对数值模拟结果的影响
• 3.4.1 温度的影响
• 3.4.2 频率对应力幅、塑性应变幅和累计塑性功的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 BGA封装的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 BGA封装的有限元分析
• 4.2.1 BGA封装有限元模型的建立
• 4.2.2 焊点的应力分析
• 4.3 不同载荷条件下对模拟结果的影响
• 4.3.1 温度的影响
• 4.3.2 频率的影响
• 4.3.3 幅值的影响
• 4.4 BGA封装焊点的寿命预测
• 4.4.1 Engelmaier疲劳模型
• 4.4.2 运用Engelmaier疲劳模型计算寿命
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢