电子封装热-力载荷下粘塑性行为与失效研究

摘要

近年来，电子工业得到了迅猛发展，成为最具发展潜力的产业之一。各种封装材料与结构不断涌现，无铅焊料替代锡铅焊料成为不可避免的趋势，以球栅阵列封装为代表的表面贴装技术以其成本低、集成度高、重量轻、功能强大等优点正在逐步渗透到整个电子行业的各种产品之中。另一方面，电子封装结构中焊球的主要失效形式为热疲劳和振动疲劳，因此需要对新型封装材料与结构在热-力载荷作用下的响应进行深入、系统的研究，进一步了解其热粘弹塑性行为和失效的机理，为更好地提高封装结构的可靠性提供必要的理论基础和分析方法。本文在较为全面地把握了封装材料和结构的行为和失效的实验研究、理论分析和数值模拟的研究现状的基础上，选取SnAgCu系列无铅焊料和BGA封装结构为研究对象，开展这一课题的研究工作。主要内容有:
　　1.以无铅焊料Sn4Ag0.5Cu（简写成，SAC405）为对象，进行不同温度和加载速率下的单轴拉伸实验，分析焊料力学性能的与率相关性，探讨加载条件对焊料性能的影响，确定焊料两种本构模型——统一型Anand粘塑性模型和分离型粘塑性模型的适用性和材料参数，数值模拟结果与实测结果吻合。
　　2.通过无铅焊料SAC405在不同温度、应变幅和加载频率下的拉压疲劳实验研究发现，影响焊料低周疲劳寿命的最主要因素是加载幅度，加载频率和温度对焊料疲劳寿命有一定影响。根据实验结果，总结变化规律，用幂形式考虑频率影响、用指数形式考虑温度影响，提出一个修正的Manson-Coffin公式，该式简便、与实验符合良好。
　　3.根据Lemaitre的损伤理论，采用各向同性损伤标量描述SAC405焊料的循环软化，其与率相关的损伤演化参数η受加载的应变幅度影响较大，随着应变幅的增加明显提高，同时会随着加载频率的提高而微弱增加，而温度对η的影响较小。根据试验观测，建立了双幂形式的演化参数方程。基于分离型粘塑性损伤本构方程，结合等向强化模型和线性卸载定律，能够模拟拉压循环载荷下SAC405焊料的低周疲劳行为，实验值与数值结果吻合良好。
　　4.将均匀化理论和高阶逐层离散层板理论相结合，建立用于具有非完全周期性细观微结构的带有底充胶的BGA封装结构的热弹-粘塑性双尺度解析分析模型;采用宏、细观瑞利—里兹法，将细观求解域简化为轴对称问题，方法简单高效，宏观位移函数采用幂函数和级数函数线结合的设置方式，有很好的求解精度和收敛速度;在热载荷作用下，焊球和底充胶界面处位移、应变、应力有局部明显变化，虽然局部的位移数量级较小，但它所对应的应变、应力却是与宏观应力场同一数量级的，文中给出的双尺度分析能够解决这一困难，很好地反映两种材料界面附近的这种局部位移和应力的变化。
　　5.对含有BGA封装结构的M12PP-02(S5)主控板的动态特性进行了实验研究与数值模拟，使用金相切片分析方法与染色渗透检测技术观察焊球裂纹的形态和扩展情况，对球栅阵列封装进行了有限元数值模拟，得到整体焊球阵列的应力分布规律及单个焊球的应力、应变情况，采用Engelmaier疲劳模型预测了BGA封装焊球的疲劳寿命，探讨了Engelmaier疲劳模型的适用范围。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 电子封装技术简介

1．1．2 表面贴装技术(SMT)与球栅阵列封装(BGA)

1．1．3 锡铅焊料与无铅焊料

1．2 电子封装材料与结构的研究现状

1．2．1 焊料本构特性的研究现状

1．2．2 电子封装的疲劳损伤研究现状

1．2．3 焊点疲劳寿命模型简介

1．3 均匀化方法发展概述

1．4 本文研究内容

第2章 基本理论

2．1 焊料的粘塑性本构模型

2．1．1 统一型Anand粘塑性模型

2．1．2 分离型粘塑性模型

2．2 疲劳损伤理论

2．2．1 损伤的定义

2．2．2 低周疲劳损伤模型

2．3 本章小结

第3章 无铅焊料SAC405性能的实验研究

3．1 无铅焊料SAC405的制备

3．1．1 焊料的制备

3．1．2 SAC405的微观结构

3．2 SAC405的单轴拉伸实验

3．2．1 试样与实验设备

3．2．2 实验过程

3．2．3 实验结果与分析

3．3 SAC405焊料的拉-压低周疲劳实验

3．3．1 实验方法

3．3．2 实验过程

3．3．3 实验结果

3．3．4 加载条件对焊料疲劳性能的影响

3．4 修正的Mansion-Coffin公式

3．4．1 SAC405焊料疲劳寿命

3．4．2 修正的Manson-Coffin公式

3．5 本章小结

第4章 SAC405焊料本构关系和疲劳损伤研究

4．1 SAC405焊料的Anand本构模型参数

4．1．1 Anand模型参数的确定方法

4．1．2 SAC405焊料的Anand模型参数

4．1．3 Anand模型模拟结果

4．2 SAC405焊料的分离型本构模型参数

4．2．1 焊料的弹性模量

4．2．2 焊料的蠕变参数

4．2．3 焊料的塑性参数

4．2．4 分离型本构模型的模拟结果

4．3 SAC405焊料疲劳损伤分析

4．3．1 SAC405焊料的疲劳损伤参数

4．3．2 焊料分离型损伤本构关系

4．3．3 SAC405焊料拉压低周疲劳数值模拟

4．4 本章小结

第5章 电子封装元件热弹-粘塑性的双尺度分析

5．1 均匀化理论

5．2 BGA封装结构的热弹性双尺度分析

5．2．1 高阶逐层离散层板模型

5．2．2 细观均匀化分析的瑞利-里兹法

5．2．3 宏观均匀化问题的等效常数

5．2．4 宏观均匀化问题的解法

5．2．5 热弹性双尺度分析算例与结果

5．3 热循环载荷下BGA结构粘塑性双尺度分析

5．3．1 高阶逐层离散热粘塑性双尺度模型

5．3．2 热粘塑性双尺度问题的解法

5．3．3 算例与结果分析

5．4 本章小结

第6章 PCB结构球栅阵列振动失效的实验研究与数值模拟

6．1 印刷电路板(PCB)结构简介

6．2 振动测试的实验设备

6．3 PCB结构固有频率的测定

6．3．1 实验方法

6．3．2 实验结果

6．4 PCB封装结构的振动实验

6．4．1 振动实验方法

6．4．2 BGA球栅阵列振动实验结果与分析

6．5 振动载荷下PCB封装结构有限元分析

6．5．1 PCB结构的有限元模型

6．5．2 PCB结构振动计算结果与分析

6．6 BGA球栅列阵的振动寿命预测

6．7 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

致谢

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