80Au/20Sn钎料合金力学性能研究

摘要

80Au/20Sn钎料合金被广泛用于微电子及光电子封装中,其力学性能对于器件的可靠性分析至关重要。本文通过铸态80Au/20Sn钎料试样的单轴拉伸试验、单轴拉伸蠕变试验、纳米压痕试验以及等温低周疲劳试验,对其力学性能进行了研究。
　　 试验发现,80Au/20Sn钎料的拉伸行为受温度和应变率影响显著。25℃、低应变率下以剪切滑移断裂为主,25℃、高应变率下以穿晶断裂为主,75及125℃时以微孔聚合型的韧窝状断裂为主。提出统一型粘塑性Anand本构模型中应考虑温度和应变率对参数的影响,修正后的模型能更好的描述单轴拉伸行为,并能被用于低周疲劳寿命预测中。
　　 80Au/20Sn钎料的拉伸蠕变行为在测试温度及应力水平下表现出典型的蠕变特征,随着温度及应力水平的提高,稳态蠕变率显著增加而蠕变寿命显著减小。Norton幂律模型及Garofalo双曲正弦模型都能用来描述80Au/20Sn钎料的蠕变行为,但Garofalo双曲正弦模型更佳。改进的θ Projection预测方法能够较好的预测整条蠕变曲线,K-R模型能更好的预测80Au/20Sn钎料的蠕变寿命。测试应力及温度范围内80Au/20Sn钎料合金的蠕变机制并没有发生变化,晶界滑移被认为是80Au/20Sn钎料合金最可能的占主导地位的蠕变变形机制。
　　 80Au/20Sn钎料恒加载速率/载荷纳米压痕试验表明微尺度下其热力行为具有较强的加载速率敏感性、显著的尺寸效应以及温度敏感性,在125及200℃下出现了明显的“挤出”现象。基于压痕做功概念得到的蠕变应力指数和蠕变激活能与单轴拉伸/压缩蠕变试验结果具有一定的可比性,表明该测试和分析方法能在一定程度上预测钎料的蠕变参数。
　　 80Au/20Sn钎料等温低周疲劳行为强烈依赖于应变率和温度。高应变率下,具有明显的准静态断裂特征:低应变率下,在蠕变与疲劳的交互作用下失效。基于塑性应变的Coffin-Manson模型及基于能量Morrow模型均能对80Au/20Sn钎料的低周疲劳行为进行寿命预测。80Au/20Sn钎料在高温环境下仍能抵抗很高的交变应力,具有极高的抗疲劳性能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 电子封装技术

1.1.1 发展历程

1.1.2 钎料无铅化挑战

1.1.3 钎料焊点可靠性挑战

1.2 钎料焊点可靠性研究现状

1.2.1 可靠性测试方法

1.2.2 本构模型

1.2.3 寿命预测

1.3 80Au/20Sn钎料焊点可靠性研究现状

1.3.1 热力学性能

1.3.2 蠕变与疲劳行为

1.3.3 制备工艺

1.4 本文研究的主要内容

第二章 80Au/20Sn钎料单轴拉伸行为

2.1 微型试样夹具开发

2.1.1 Instron 5848微小力学试验机简介

2.1.2 拉伸试验夹具

2.1.3 拉-压疲劳试验夹具

2.1.4 夹具精度验证

2.2 80Au/20Sn钎料试样制备

2.2.1 Au-Sn钎料合金相图

2.2.2 制备方法

2.2.3 微观组织

2.3 80Au/20Sn钎料试样单轴拉伸试验

2.3.1 试验步骤

2.3.2 试验结果

2.4 真应力-真应变曲线

2.5 失效机制

2.6 本章小结

第三章 80Au/20Sn钎料拉伸蠕变行为及本构模型

3.1 80Au/20Sn钎料试样单轴拉伸蠕变试验

3.1.1 试验步 骤

3.1.2 试验结果

3.2 80Au/20Sn钎料本构模型

3.2.1 分离型粘塑性本构模型

3.2.2 统一型粘塑性Anand本构模型

3.3 蠕变寿命预测

3.3.1 Monkman-Grant方程[121]

3.3.2 Larson-Miller参数预测法

3.3.3 θ Projection预测法

3.3.4 Kachanov-Rabotnov方法

3.4 80Au/20Sn钎料蠕变变形机制

3.5 与63Sn37Pb钎料蠕变行为比较

3.6 本章小结

第四章 80Au/20Sn钎料纳米压痕行为

4.1 引言

4.2 纳米压痕法测量80Au/20Sn钎料热力性能

4.2.1 测试原理

4.2.2 测试试样

4.2.3 测试设备

4.2.4 测试步骤

4.2.5 测试结果

4.3 纳米压痕法确定钎料蠕变参数

4.3.1 研究现状

4.3.2 基于压痕做功概念确定80Au/20Sn钎料蠕变参数

4.3.3 讨论

4.4 本章小结

第五章 80Au/20Sn钎料等温机械疲劳行为

5.1 试验方法

5.2 试验结果

5.2.1 循环应力响应行为

5.2.2 应力—应变滞后回线

5.3 有限元模拟

5.3.1 单元类型

5.3.2 材料属性

5.3.3 网格划分

5.3.4 载荷与边界条件

5.3.5 模拟结果

5.4 疲劳寿命预测

5.4.1 疲劳失效准则的定义

5.4.2 80Au/20Sn钎料疲劳寿命预测模型

5.4.3 与63Sn37Pb钎料低周疲劳行为对比

5.5 失效机制

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录Ⅰ 缩略语表

致谢