無鉛焊料本構(gòu)模型及其參數(shù)識(shí)別方法研究.pdf

1、在電子信息工業(yè)的發(fā)展需求下，電子封裝結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)正朝著高度微型化、集成化、低功耗和高可靠性方向發(fā)展。相應(yīng)的電子封裝結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，使用環(huán)境也日益惡劣。尤其在高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合，電子封裝結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸和使用過程中無法避免的會(huì)受到溫度、振動(dòng)、沖擊等載荷的作用致使失效。焊點(diǎn)通常為封裝結(jié)構(gòu)中最脆弱的地方，在電子封裝結(jié)構(gòu)失效中，焊點(diǎn)失效是主要因素。所以，研究焊點(diǎn)材料的特性以及描述焊點(diǎn)力學(xué)性能的本構(gòu)模型，對(duì)于分析焊點(diǎn)性能以及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電子封裝的可靠性具有很重要

2、的理論價(jià)值。同時(shí)，隨著各國(guó)家和地區(qū)禁鉛令的發(fā)布，綠色環(huán)保的無鉛焊料取代傳統(tǒng)的錫鉛焊料成為必然的趨勢(shì)。而無鉛焊料的本構(gòu)模型和材料參數(shù)，以及應(yīng)變速率等對(duì)力學(xué)行為的影響分析等還很不完善，研究成果仍很欠缺。本文針對(duì)無鉛焊料的本構(gòu)模型以及本構(gòu)模型參數(shù)的識(shí)別方法進(jìn)行了相關(guān)的研究。
　　本文第一部分通過在Anand本構(gòu)模型中引入表征各向同性損傷的內(nèi)變量，建立了變形-損傷耦合的粘塑性Anand損傷本構(gòu)模型，并在熱力學(xué)框架中推導(dǎo)了損傷變量的演化方程

3、。編寫了UMAT用戶材料子程序，將粘塑性Anand損傷本構(gòu)模型嵌入到ABAQUS中用于有限元模擬計(jì)算。通過有限元模擬測(cè)試，驗(yàn)證了粘塑性Anand損傷本構(gòu)模型及其相關(guān)的用戶子程序的正確性。此外，分析得出本構(gòu)模型中的損傷變量隨加載過程中材料損傷進(jìn)行變化，可以根據(jù)載荷和損傷的變化關(guān)系來進(jìn)行材料壽命的分析。
　　第二部分基于改進(jìn)的對(duì)稱拉丁超立方抽樣方法和Spearman秩相關(guān)系數(shù)建立了本構(gòu)模型參數(shù)敏感度分析的全局整體分析方法，并采用MAT

4、LAB編程語(yǔ)言結(jié)合有限元軟件ABAQUS編寫了本構(gòu)模型的參數(shù)敏感度分析程序。采用該方法對(duì)無鉛焊料Sn4.0Ag0.5Cu的粘塑性Anand損傷本構(gòu)模型的參數(shù)敏感度進(jìn)行了整體性分析，確定了各參數(shù)的敏感度以及排序，并分析了敏感度值受模擬模型尺寸、加載條件、結(jié)果數(shù)據(jù)類型和加載速率等的影響程度，有利于確定合適的參數(shù)識(shí)別方法和相關(guān)的試驗(yàn)條件。
　　第三部分采用位移加載形式進(jìn)行了常溫下四種不同應(yīng)變率0.0002/s、0.001/s、0.005

5、/s、0.01/s下的無鉛焊料Sn4.0Ag0.5Cu釬絲的拉伸試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了無鉛焊料Sn4.0Ag0.5Cu變形行為的應(yīng)變率相關(guān)性和應(yīng)變率敏感性。將載荷-位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理為應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)后用于后續(xù)的焊料本構(gòu)模型的參數(shù)識(shí)別。
　　第四部分構(gòu)建了用于材料本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別的數(shù)學(xué)模型，基于該模型結(jié)合遺傳算法和ABAQUS建立了本構(gòu)模型的參數(shù)識(shí)別方法。然后通過建立的參數(shù)識(shí)別方法，對(duì)無鉛焊料Sn4.0Ag0.5Cu的粘塑性Ana

6、nd損傷本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)比了粘塑性Anand損傷本構(gòu)模型和未引入損傷的Anand本構(gòu)模型對(duì)焊料力學(xué)行為模擬的優(yōu)劣。粘塑性Anand損傷本構(gòu)模型模擬曲線更接近于試驗(yàn)曲線，材料的剛度退化現(xiàn)象可以被更準(zhǔn)確的描述，與實(shí)際情況更相符，驗(yàn)證了在模擬焊料力學(xué)行為中采用變形-損傷耦合本構(gòu)模型的合理性。
　　第五部分采用多種群并行結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行并行處理，建立了多種群并行遺傳算法，并采用多種優(yōu)化策略對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。將該算法應(yīng)用到本