微電子封裝中無鉛焊料的損傷模型和失效機理研究.pdf

1、由于鉛和含鉛化合物的毒性對人類環(huán)境和健康的危害，以及法律、法規(guī)的限制，在微電子封裝中使用無鉛焊料已經成為不可避免的趨勢。焊點作為組件和PCB板(Printed circuit board)的機械、熱和電氣連接材料，對于電子封裝的可靠性至關重要。因此，迫切需要準確理解無鉛焊料的力學響應和本構行為。目前大多數(shù)研究都是基于材料無缺陷的，并沒有考慮微結構組織的演化和微損傷的影響。 本文基于細觀力學和損傷力學的理論和方法，實驗研究了無鉛焊

2、料的機械性能和微觀損傷機理，考慮晶粒尺寸效應和空洞損傷，提出一種粘塑性-損傷本構模型，采用神經網絡和嵌入序列二次規(guī)劃法(SQP)的優(yōu)化程序確定模型參數(shù)，以有限元軟件ABAQUS的用戶材料子程序(UMAT)為基礎建立分析無鉛焊料力學行為和損傷失效的數(shù)值仿真系統(tǒng)，通過與實驗數(shù)據(jù)比較對提出的模型進行驗證，并分析BGA(球柵陣列)封裝中無鉛焊點的損傷過程和可靠性問題。論文的主要工作與研究成果歸納如下： ①基于數(shù)字散斑相關方法(DSCM)

3、，建立了一種新的攝像控制實驗系統(tǒng)用于評價無鉛焊料Sn4.0Ag0.5Cu和SnSb8.5在室溫～150℃和應變率10<'-5>/s～10<'-3>/s范圍內進行一系列恒應變拉伸實驗的力學行為，并通過掃描電鏡(SEM)觀察材料微結構演化和損傷機理。 ②基于Gurson-Tvergaard塑性勢函數(shù)和正交法則，提出一種粘塑性一損傷本構模型分析空洞損傷對無鉛焊料的可靠性和宏觀力學性能的影響。通過在基體粘塑性流動準則中嵌入晶粒尺寸考慮了

4、微結構的作用,并考慮了溫度對材料性能的影響。引入空洞體積分數(shù)作為內損傷變量，作為材料疲勞壽命的直接反映。 ③以有限元軟件ABAQUS的UMAT為基礎建立分析無鉛焊料的力學響應和損傷演化的數(shù)值仿真系統(tǒng)。通過結合實驗和數(shù)值技術確定本構模型的參數(shù)：建立彈性B-P算法的多層前饋神經網絡，并用神經網絡的學習來代替有限元模擬，利用嵌入SQP算法的非線性優(yōu)化程序確定模型參數(shù)。 ④模型預測結果與拉伸實驗數(shù)據(jù)比較，表明粘塑性-損傷本構模型