无铅焊料SAC405拉压疲劳损伤的研究

摘要

鉴于铅对人类生存环境和身体健康的危害，以及全球无铅立法的规定，在电子产业中用无铅焊料代替含铅焊料已经成为不可避免的趋势。无铅焊料的可靠性对于电子产品的质量极其重要。因此，了解和掌握无铅焊料的力学性能、本构行为和失效机理，是确保焊料及其结构高效使用的重要研究方向之一。
　　本文选取无铅焊料SAC405作为研究对象，首先介绍了焊料的两种本构模型，即统一型Anand本构模型和分离型本构模型，包括模型的基本理论、参数确定方法和无铅焊料SAC405的两种模型参数。然后在不同温度、不同应变幅和不同加载频率的条件下，对无铅焊料SAC405进行拉压低周疲劳实验，分析了焊料在拉压循环载荷下疲劳失效的特性，探讨了应力峰值、应力幅值、塑性应变能密度等参量的变化规律。结果表明，无铅焊料SAC405表现为明显的循环软化特性，其应力峰值、应力幅值、塑性应变能密度等参量随着循环周数的增加而下降，焊料的应力幅值和塑性应变能密度随着加载频率的降低而减小，随着温度的升高而减小，它们的下降速率随着应变幅的增大而加快。
　　采用Manson-Coffin公式拟合无铅焊料SAC405的疲劳寿命，确定了与温度相关的疲劳参数。根据Lemaitre的损伤理论，采用各向同性损伤，分析了焊料疲劳损伤的特征及其演化规律，得出无铅焊料SAC405的临界损伤阈值和损伤参数。采用三种粘塑性本构模型的数值模拟，即统一型Anand模型、等向强化分离模型和随动强化分离模型数值模拟了焊料循环载荷下的力学行为，最后使用随动强化分离本构模型对无铅焊料SAC405拉压低周疲劳实验进行了数值模拟，结果与实验值较为吻合，验证了疲劳损伤公式参数的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 锡钎焊的历史

1．2 焊料的无铅化

1．2．1 焊料无铅化的背景

1．2．2 无铅化的规定及其提案

1．2．3 焊料无铅化的必要特性

1．3 无铅焊料的发展现状

1．3．1 焊料合金在微电子封装及组装互连技术中的应用

1．3．2 电子器件微型化的趋势需要发展无铅焊料

1．4 焊料的研究现状

1．4．1 国内外研究现状

1．4．2 焊料本构特征的研究

1．4．3 无铅焊料疲劳损伤的研究

1．4．4 低周疲劳损伤演化模型

1．5 本文主要工作

第2章 无铅焊料的本构理论

2．1 焊料的力学行为

2．2 焊料的粘弹塑性本构模型

2．2．1 统一型Anand本构模型

2．2．2 分离型本构模型

2．3 无铅焊料SAC405的本构参数

2．3．1 统一型Anand本构模型的参数

2．3．2 分离型本构模型的参数

2．4 本章小结

第3章 无铅焊料SAC405的拉压疲劳实验

3．1 拉压低周疲劳实验方法

3．1．1 实验设计

3．1．2 焊料熔制及试件加工

3．1．3 实验仪器

3．1．4 实验步骤

3．2 实验结果与分析

3．2．1 拉压低周疲劳实验现象

3．2．2 弹性模量

3．3 不同加载条件下的结果对比

3．3．1 三种因素对应力幅值的影响

3．3．2 加载频率和温度对塑性应变能密度的影响

3．4 本章小结

第4章 无铅焊料SAC405的疲劳损伤研究

4．1 低周疲劳损伤模型

4．1．1 损伤的定义

4．1．2 低周疲劳损伤

4．2 无铅焊料SAC405的疲劳损伤参数

4．2．1 临界损伤阈值Dc

4．2．2 疲劳寿命Nf

4．2．3 Manson-Coffin公式

4．2．4 损伤演化参数η

4．3 本章小结

第5章 SAC405拉压疲劳的数值模拟

5．1 基于ANSYS软件的数值模拟方法

5．1．1 建立几何有限元模型

5．1．2 设置边界条件

5．2 基于统一型Anand本构模型的数值模拟

5．3 基于分离型本构模型的数值模拟

5．3．1 滞回曲线的数值模拟

5．3．2 低周疲劳损伤的数值模拟

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢