電子封裝焊料高溫力學性能實驗及焊點熱循環(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)致焊點高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)的破壞以及整個器件的失效。因此研究焊點材料高溫力學性能及其熱循環(huán)可靠性至關(guān)重要。 本研究在國家自然科學基金項目“空氣冷卻電子封裝器件多物理場耦合熱設(shè)計優(yōu)化研究”(No.50376076)的資助下，對焊料的力學性能和焊點熱循環(huán)可靠性分別進行實驗和數(shù)值模擬研究。 首先，對

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

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壽命的預(yù)測。 其次，對無鉛焊料96.5Sn3.5Ag進行了較文獻更高溫下的拉伸實驗。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)，通過與焊料63Sn37Pb的比較發(fā)現(xiàn)，該無鉛焊料具有更好的抗蠕變性能。基于實驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了焊料96.5Sn3.5Ag的Anand模型參數(shù)，通過模型預(yù)測與實驗數(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CBGA封裝焊點進行熱循環(huán)有限元模擬。結(jié)果表明：在熱循環(huán)的過程中，離模型對稱中心最遠的焊點，應(yīng)力應(yīng)變最大，且隨著熱循環(huán)而上下波動。通過分析應(yīng)力應(yīng)變遲滯環(huán)，得到等效塑性應(yīng)變范圍，基于文獻和實驗所得疲勞壽命模型對焊點進行熱疲勞壽命預(yù)測。結(jié)果表明：本文實驗所得模型可以在一定的實驗條件下預(yù)測焊點的疲勞壽命，基于不同文獻的疲勞壽命計算均表明，無鉛96.5Sn3.5Ag焊點的疲勞壽命高