界面热失配对金属基复合材料力学性能的影响

由于金属基体和增强相的热膨胀系数存在差异,金属基复合材料在制备降温过程中不可避免地产生热失配应力。研究表明,金属基复合材料热失配应力在近界面处以不同类型金属缺陷的形式进行释放,在远离界面处以热残余应力的形式保留。热失配应力释放的缺陷类型、尺寸、密度以及热残余应力的存在均会显著影响金属基复合材料的力学性能。本文阐述了界面热失配缺陷和热残余应力的产生,详细分析了界面热失配对金属基复合材料力学性能的影响,为进一步实现金属基复合材料的界面结构设计和优化提供理论基础和科学依据。

温度梯度介质的偶应力理论——多相固体混合物的热失配

在强烈热沉积、较大温升率和温度梯度条件下材料性能的研究中,应用应变梯度理论,提出一种将温度梯度通过偶应力理论纳入本构方程的特殊的模型介质,并将其称为温度梯度固体。由此解释了具有显著细结构的多相固体混合物在强烈热沉积条件下,因热失配而表现出的特殊的热力耦合行为。

一体化热防护系统承载能力/热失配改进方法

采用PCL语言参数化建模方法,开发了一体化热防护系统(ITPS)参数化建模程序,建立了不同外形参数下的一体化热防护系统有限元模型,分析了其承载能力与热失配现象随腹板角度和倒圆形式的变化趋势,提出了提高一体化热防护系统承载能力和改善热失配的改进方法。研究结果表明,在满足一体化热防护系统承载能力的前提下,腹板与底面夹角存在一个最佳角度,使得热短路降到最低水平;对腹板与壁板之间的夹角进行倒圆设计,可有效改善应力集中下面板的温度均匀性。

基于硅-玻璃键合工艺的微惯性器件的材料热失配应力表征

基于硅-玻璃键合工艺实现敏感结构和衬底相接是微惯性器件的主流工艺方案之一。硅和玻璃热膨胀系数不同,在惯性器件环境工作温度发生变化时,硅玻璃接触表面会产生热应力,该应力严重影响器件的性能。为了测量异质材料间的热失配应力以及键合锚点尺寸对应力的影响,本文提出了一种以悬臂梁作为测试结构的锚点形变测量和数据处理方法,用于表征器件的工艺热失配应力。根据仿真结果将锚点设计成切块形式以减小最大应力和结构形变。测试结果表明,对于边长为600,400和200μm的锚点,悬臂梁相对锚点的平均离面位移分别为0.43,0.30和0.20 nm/℃;结果具有良好的重复性。该结果说明锚点热形变与锚点的大小直接相关,这对MEMS惯性结构以及工艺设计改进具有重要的意义。

温差发电阵列解析方法及其热失配性能研究

温差发电阵列(Thermoelectricgenerator,TEG)的热失配现象会导致器件损坏,严重影响发电单元效率和可靠性。为分析温差发电阵列的电气特性及其热失配现象对阵列的影响,通过对阵列进行基尔霍夫电压电流定律分析,提出一种温差发电阵列解析方法用于分析阵列的电气特性;同时,搭建了一个低品位热源下的温差发电阵列试验平台,基于已搭建的温差发电平台开展热失配的相关试验及分析,在常见的温度分布下对阵列进行相关试验,测量各阵列输出的最大输出功率,计算得到各阵列的损耗率,量化热失配对于温差发电的影响。最后,通过试验发现,温度失配会造成阵列功率明显下降,串并联结构(Series-parallel,SP)较其余阵列具有更高的效率,温度分布的均匀程度与温差发电的输出功率有极强的关联性,阵列连接方式的复杂程度与温差发电的输出功率也存在关联性。

一种金属-玻璃热失配多插针封接工艺研究

为解决隔离开关用接线端子部件在高温封接过程中玻璃炸裂及封接件气密性差等问题,采用不锈钢真空-正压封接工艺对不锈钢固定板和7对接线端子进行玻璃封接,研究了封接玻璃及工艺参数对封接件绝缘性及气密性的影响;并对封接模具进行了改进设计以控制接线端子的相对位置,通过试验对工艺参数和模具设计进行了验证。结果表明:采用高真空退火炉、TF-5玻璃,以及基于固定薄片结构的封接模具,在烧结温度为1 000℃(保温18min)、退火温度为550℃(保温15min)、氮气保护条件下,所得封接件的外观、绝缘性及气密性均满足使用要求。

热失配应力下热障涂层表面裂纹扩展的数值模拟

采用扩展有限元(XFEM)法研究了高温下热失配应力对热障涂层表面裂纹扩展的影响。结果表明,在热失配应力的作用下,表面裂纹的位置、倾斜角度和长度对裂纹扩展的长度、能量释放率和裂尖的应力水平有着显著的影响;对于初始长度相同的裂纹,界面波谷处裂纹扩展长度最长,能量释放率最大;倾斜角度越大,裂纹扩展长度越短,应变能越大;裂纹初始长度越大,裂纹的扩展长度越长且扩展速率越快,能量释放率越大。存在多条表面裂纹的情况下,其裂纹扩展相互影响。

中红外连续波单谐振光学参量振荡器热致相位失配

为了研究热致相位失配对中红外连续波单谐振光学参量振荡器(CW-SRO)输出效率的影响,结合CW-SRO计算模型和热传导方程,利用有限元分析方法,重点对输出3.3μm波长闲频光的CW-SRO进行了分析。计算了不同信号光输出耦合率及不同泵浦功率下CW-SRO晶体输出截面上热致相位失配量的分布。由计算结果可以看出:晶体吸收腔中振荡信号光是导致晶体热效应的主要因素;在相同的输入条件下,泵浦功率在30 W以上时CW-SRO的热致相位失配将会大大降低其泵浦损耗率;通过增加信号光输出耦合率的方法,可以减少热致相位失配对CW-SRO输出效率的影响,但CW-SRO的振荡阈值会增加。

三维封装TSV结构热失效性分析

随着集成电路向低功耗、小体积、高集成度方向发展,二维平面集成逐渐面临挑战。硅通孔(Through Silicon Via,TSV)能够实现芯片上下垂直互连,减小引线布线长度,是三维集成技术中的关键步骤。通过有限元仿真软件(Comsol Multiphysic)对TSV-Cu模型进行了热力学仿真,对比了不同电流密度下TSV-Cu的应力-应变与热膨出结果。通过热循环试验观察TSV-Cu界面形貌的变化,发现由于热失配的原因,氧化硅绝缘层与中心铜柱界面处存在不可逆的缝隙。根据有限元仿真与热循环试验,可以得到不同的工作电流会导致不同的温度分布规律,进而导致不同的应力分布与结构形变,能够为TSV结构工作环境的设定与监测提供指导。

焊点热疲劳失效原因分析

某PCBA样品在使用约半年后出现功能失效,该PCBA在封装后进行整体灌胶,将失效样品剥离,发现部分器件直接脱落,通过表面观察、切片分析、EBSD分析、应力分析、热膨胀系数测试等手段对样品进行分析,结果表明:各封装材料存在热失配,且焊点缺陷较多且存在应力集中区,加速焊点的疲劳失效进程,导致PCBA功能失效。

TSV结构热机械可靠性研究综述

硅通孔(TSV)结构是三维电路集成和器件封装的关键结构单元。TSV结构是由电镀铜填充的Cu-Si复合结构,该结构具有Cu/Ta/SiO2/Si多层界面,而且界面具有一定工艺粗糙度。TSV结构中,由于Cu和Si的热膨胀系数相差6倍,致使TSV器件热应力水平较高,引发严重的热机械可靠性问题。这些可靠性问题严重影响TSV技术的发展和应用,也制约了基于TSV技术封装产品的市场化进程。针对TSV结构的热机械可靠性问题,综述了国内外研究进展,提出了亟需解决的若干问题:电镀填充及退火工艺过程残余应力测量、TSV界面完整性的量化评价方法、热载荷和电流作用下TSV-Cu的胀出变形计算模型问题等。

Fe-Al/Al_2O_3梯度涂层制备过程中的热机械行为

在分析涂层中热应力产生机理的基础上,根据等离子喷涂制备过程中的实际受热条件和力学原理,建立了估算制备引起的涂层热应力的计算模型,并依此估算了Fe3Al-Al2O3涂层中的制备应力。通过对涂层微观结构的SEM观察,研究了Fe3Al-Al2O3涂层制备过程中的热机械行为特征及其对涂层性能的影响。结果表明,在梯度涂层中,随着组成成分的变化,热机械性能参量与制备应力均相应变化。最大热应力产生于梯度涂层的底层,从基体到表面沿厚度方向热应力逐渐减小。梯度涂层中的最大应力与平均应力值都小于单一Al2O3涂层中的热应力值。涂层与基体的热失配是涂层中热应力产生的根本原因。涂层成分的梯度化,可有效地缓和制备过程中的热应力。

热切缺陷对陶瓷封装钎焊组装工艺可靠性的影响——Ⅱ.接头结构设计

陶瓷封装钎焊组装工艺可靠性由工艺过程中的应力与此前在陶瓷中形成的缺陷之间的交互作用决定.针对在陶瓷元件不同位置分布的缺陷类型不同及危险程度不同这一特性,通过ANSYS有限元软件对钎焊组装应力在陶瓷元件中的分布特性进行分析,基于将高的工艺应力和危险性缺陷在空间中错位的设计思想进行接头结构设计,以提高钎焊组装工艺的可靠性.结果表明,这种有别于传统的应力设计中进行整体应力降低优化的观点,是针对陶瓷封装制造缺陷空间分布特性的一种更为灵活的接头结构设计方法,对提高陶瓷封装制造可靠性具有实效性意义.

Ni-Mo-P/Cu薄膜的热稳定性

通过自组装层法、磁控溅射依次在Si O2基底上化学镀制备了Ni-Mo-P、Cu薄膜,薄膜厚度和成分通过X射线荧光仪（XRF）测定。对Si O2/Ni-Mo-P/Cu体系进行了400-600℃的热处理,利用X射线衍射仪（XRD）对物相结构的稳定性进行了测定,利用场发射扫描电镜（FE-SEM）和电子能谱仪（EDS）对表面形貌的稳定性进行了观察和成分分析。结果表明,在400和500℃热处理后,体系稳定性良好,但在较快的降温速率（40℃/min）条件下,Si O2/Ni-Mo-P/Cu体系在600℃热处理后失效,根据热失配应力,提出了薄膜破裂模型,Ni-Mo-P薄膜与Si O2界面断裂能为2.12 J/m^2。Cu薄膜在600℃热处理时发生团聚,Cu在Ni-Mo-P上的团聚激活能为1.15 e V,大于Cu在Si O2上的团聚激活能0.6 e V。

金属基陶瓷复合材料的激光热冲击破坏效应

研究了激光热冲击条件下静态受拉ＳｉＣ颗粒增强６０６１铝合金材料的热断裂行为。热冲击用的激光束的脉宽分别为１．０ｍｓ和２５０μｓ，激光束辐照在缺口的根部附近。对于热冲击下裂纹的产生及扩展进行细致的宏、微观观察，发现裂纹的产生和扩展的机制是不相同的。

10.6μm激光对HgCdTe焦平面器件热应力的分析

建立了HgCdTe红外焦平面器件的多膜层理论模型,利用有限元分析的方法,对10.6μm激光辐照下HgCdTe红外焦平面器件的升温情况与热应力分布情况进行模拟,并通过参考已有文献的实验结果,验证了理论模型的合理性。理论分析结果表明:激光作用时探测器的温度场变化剧烈,200 W/cm2连续激光作用1 s后,HgCdTe感光层所受热应力为-986 MPa;脉宽100 ns,功率密度15 MW/cm2脉冲激光作用后,HgCdTe感光层所受热应力为-1300 MPa,都比器件制造过程中由于热失配而产生的热应力大;应力损伤发生的概率增大,可能比热损伤先发生,是HgCdTe红外焦平面器件激光损伤中的重要原因。

Sn60Pb40焊层在热循环过程中蠕变行为的仿真研究

文中采用ANAND焊点本构关系模型描述了Sn60Pb40焊层蠕变行为,通过MARC有限元软件模拟了电子封装器件Sn60Pb40焊层在热循环中的蠕变过程,研究了Sn60Pb40焊层的蠕变应变最大值出现的位置,分析了封装结构热失配和焊层厚度对Sn60Pb40焊层蠕变应变的影响。结果表明:焊层边角处最早发生蠕变断裂,降低封装结构热失配程度和优化焊层厚度均可减小Sn60Pb40焊层的蠕变变形。该研究结果不仅为封装结构的热匹配优化设计提供了新的思路,也为预测焊层蠕变断裂位置和优化工艺提供了技术支持。

金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响

基于SiC Al基复合材料中的SiC颗粒周期性排布的假设 ,采用轴对称体胞方法研究了金属基复合材料中的热残余应变场与粒子形状、体积分数等参数间的内在联系 ;在此基础上 ,探讨了热残余应变对夹杂内部和基体 -夹杂界面的应力集中因子的影响 .所得结果对于理解热残余应变对空洞形核的影响有参考价值 .

图形化Si基Ge薄膜热应变的有限元分析

利用有限元方法模拟了图形化Si衬底上外延Ge薄膜的热失配应变,研究了薄膜内部以及表面的应变分布情况,分析了应变与薄膜厚度、衬底尺寸的变化关系.结果表明,热失配应变在异质结构的界面处最大,沿外延层生长方向递减;在薄膜表面,中心区域应变最大,由中心到边缘逐渐减小,边缘发生突变,急剧减小;不同的膜厚下,薄膜表面应变分布规律相同,并且薄膜越厚,应变越小;图形衬底单元的尺寸对薄膜应变有较大的影响,当衬底厚度在6μm以内,宽度在10μm以内时,更有利于薄膜应变的释放.

CBGA器件焊接工艺与焊点失效分析

陶瓷球栅阵列(CBGA)封装由于其优异的电性能和气密性等优点而被广泛应用于军事、航空和航天电子制造领域中。CBGA陶瓷基板与印制电路板(PCB)之间的热失配一直是CBGA封装可靠性研究主要关心的问题。对CBGA器件装配工艺进行研究,并对焊点在温度循环(-55~+100℃)和随机振动条件下的失效机理进行分析。结果表明,焊点在温度循环和随机振动等综合应力作用下发生开裂,器件四角处的焊点最先发生开裂,开裂位置为焊料与陶瓷器件焊盘接触位置。温度循环试验后CBGA器件焊点形成的IMC层厚度略有增加。