无铅钎料Sn-3.5Ag多轴棘轮变形与低周疲劳研究

摘要

随着环境污染影响人类健康的问题已成为全球关注的焦点，电子封装业面临着向“绿色”无铅化转变的挑战，使用无铅钎料将是电子行业的大趋势。本文对无铅钎料Sn-3.5Ag的力学性能进行了研究，将有助于提高无铅钎料焊点寿命预测的准确性，提高电子封装的可靠性。 在室温下对无铅钎料Sn-3.5Ag进行了单轴拉伸、纯扭、单轴棘轮效应试验以及一系列多轴棘轮效应试验；并对Sn-3.5Ag钎料进行了纯扭疲劳试验以及存在棘轮应变的多轴疲劳试验；采用扫描电镜观测和分析了钎料在疲劳前后的组织特征。研究发现，Sn-3.5Ag在较小的二次应力作用下会产生很大的棘轮应变，直到试件破坏棘轮应变累积也没有出现安定的趋势；Sn-3.5Ag钎料的棘轮行为具有很强的率相关性；加载路径对棘轮应变率没有影响；轴向应力和剪切应变幅的增大都会使轴向棘轮应变增大，疲劳寿命减小。由疲劳试样的组织和断口形貌分析可知：Sn-3.5Ag钎料是剪切型破坏材料；在疲劳失效过程中，裂纹沿着晶界萌生和扩展；在循环载荷作用下断口附近的共晶相β-Sn和Ag3Sn很容易破碎，形成许多细小的白色颗粒，从而造成材料的循环软化现象。 运用Euler后退隐式积分法对应力进行更新，采用修正的A-F率相关统一粘塑性本构模型对恒轴力、比例加载、菱形路径和圆路径以及各种剪切应变率下的多轴棘轮效应进行预测，得到了令人满意的结果。 利用等效应变法、临界面法和能量法对存在棘轮变形的疲劳寿命进行预测。由于上述模型没有考虑棘轮应变对疲劳寿命的影响，给出偏于危险的预测结果。考虑棘轮效应对疲劳寿命影响的Coffin模型，当棘轮变形较大时，预测结果偏于不安全。 本文提出了以最大剪应变变程△γmax和轴向棘轮应变率εr为损伤参量的新模型，该模型既能描述纯扭时的疲劳寿命，又能够很好的预测无铅钎料存在棘轮效应的多轴疲劳寿命，且该模型具有简洁的参数确定方法和明确的物理意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号说明、缩略语表

声明

第一章文献综述

1.1微电子封装技术

1.1.1微电子封装及其可靠性

1.1.2微电子封装用焊锡钎料

1.2棘轮效应概述

1.3材料的本构关系

1.3.1率无关本构模型

1.3.2率相关本构模型

1.4低周疲劳寿命预测模型

1.4.1等效应变法

1.4.2能量法

1.4.3临界面法

1.4.4考虑棘轮效应的寿命估算

1.5焊锡钎料力学行为的研究

1.5.1拉伸、剪切和蠕变性能

1.5.2疲劳性能

1.6本文的工作及研究意义

1.6.1本文工作

1.6.2研究意义

第二章Sn-3.5Ag在单轴和多轴加载条件下棘轮行为的试验研究

2.1应力-应变空间定义

2.2试验材料与试样

2.3试验设备与控制程序

2.4数据处理说明

2.4.1轴向棘轮应变定义

2.4.2试件表面剪应力的计算

2.5试验结果和分析

2.5.1单轴拉伸和纯扭试验

2.5.2单轴棘轮效应试验研究

2.5.3多轴棘轮效应试验研究

2.6本章小结

第三章Sn-3.5Ag率相关的多轴棘轮效应描述

3.1基于A-F模型的基本方程

3.1.1率无关模型

3.1.2率相关模型

3.2利用Euler后退法更新率相关模型

3.3 A-F模型对Sn-3.5Ag钎料棘轮效应的描述

3.4 Sn-3.5Ag钎料的损伤特性

3.5本章小结

第四章 无铅钎料Sn-3.5Ag疲劳寿命试验研究

4.1试验条件

4.1.1试验材料与试验设备

4.1.2数据处理说明

4.2纯扭疲劳试验

4.2.1试验结果

4.2.2疲劳寿命分析

4.3考虑棘轮效应的多轴疲劳试验

4.3.1试验结果

4.3.2疲劳寿命分析

4.4疲劳后试样的组织和断口形貌

4.5本章小结

第五章具有棘轮变形的多轴低周疲劳寿命预测

5.1等效应变法

5.2临界面法

5.3能量法

5.4考虑棘轮效应的寿命估算

5.5考虑棘轮效应的多轴疲劳寿命模型

5.6新的多轴疲劳寿命模型的应用

5.7本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢