微電子封裝中無(wú)鉛焊料的損傷模型和失效機(jī)理研究.pdf

1、由于鉛和含鉛化合物的毒性對(duì)人類(lèi)環(huán)境和健康的危害，以及法律、法規(guī)的限制，在微電子封裝中使用無(wú)鉛焊料已經(jīng)成為不可避免的趨勢(shì)。焊點(diǎn)作為組件和PCB板(Printed circuit board)的機(jī)械、熱和電氣連接材料，對(duì)于電子封裝的可靠性至關(guān)重要。因此，迫切需要準(zhǔn)確理解無(wú)鉛焊料的力學(xué)響應(yīng)和本構(gòu)行為。目前大多數(shù)研究都是基于材料無(wú)缺陷的，并沒(méi)有考慮微結(jié)構(gòu)組織的演化和微損傷的影響。 本文基于細(xì)觀力學(xué)和損傷力學(xué)的理論和方法，實(shí)驗(yàn)研究了無(wú)鉛焊

2、料的機(jī)械性能和微觀損傷機(jī)理，考慮晶粒尺寸效應(yīng)和空洞損傷，提出一種粘塑性-損傷本構(gòu)模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和嵌入序列二次規(guī)劃法(SQP)的優(yōu)化程序確定模型參數(shù)，以有限元軟件ABAQUS的用戶材料子程序(UMAT)為基礎(chǔ)建立分析無(wú)鉛焊料力學(xué)行為和損傷失效的數(shù)值仿真系統(tǒng)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較對(duì)提出的模型進(jìn)行驗(yàn)證，并分析BGA(球柵陣列)封裝中無(wú)鉛焊點(diǎn)的損傷過(guò)程和可靠性問(wèn)題。論文的主要工作與研究成果歸納如下： ①基于數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)

3、，建立了一種新的攝像控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于評(píng)價(jià)無(wú)鉛焊料Sn4.0Ag0.5Cu和SnSb8.5在室溫～150℃和應(yīng)變率10<'-5>/s～10<'-3>/s范圍內(nèi)進(jìn)行一系列恒應(yīng)變拉伸實(shí)驗(yàn)的力學(xué)行為，并通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察材料微結(jié)構(gòu)演化和損傷機(jī)理。 ②基于Gurson-Tvergaard塑性勢(shì)函數(shù)和正交法則，提出一種粘塑性一損傷本構(gòu)模型分析空洞損傷對(duì)無(wú)鉛焊料的可靠性和宏觀力學(xué)性能的影響。通過(guò)在基體粘塑性流動(dòng)準(zhǔn)則中嵌入晶粒尺寸考慮了

4、微結(jié)構(gòu)的作用,并考慮了溫度對(duì)材料性能的影響。引入空洞體積分?jǐn)?shù)作為內(nèi)損傷變量，作為材料疲勞壽命的直接反映。 ③以有限元軟件ABAQUS的UMAT為基礎(chǔ)建立分析無(wú)鉛焊料的力學(xué)響應(yīng)和損傷演化的數(shù)值仿真系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值技術(shù)確定本構(gòu)模型的參數(shù)：建立彈性B-P算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)來(lái)代替有限元模擬，利用嵌入SQP算法的非線性優(yōu)化程序確定模型參數(shù)。 ④模型預(yù)測(cè)結(jié)果與拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，表明粘塑性-損傷本構(gòu)模型