应变率效应对无铅焊锡接点跌落冲击力学行为的影响

采用应变率相关的Johnson-Cook材料模型和率无关的弹塑性模型分别计算了跌落/冲击载荷下焊锡接点的应力及应变,研究应变率对焊锡接点力学行为的影响,预测了焊锡接点的破坏情况,并与动态4点弯曲实验结果进行了比较.结果表明:焊锡材料的应变率效应对电路板的挠度几乎没有影响,但对焊锡接点的应力及应变有较大影响;不考虑应变率效应的弹塑性模型低估焊锡接点的应力值而高估等效塑性应变值;采用率相关的Johnson-Cook模型能更好地预测焊锡接点的力学行为,能较真实地预测焊锡接点的破坏情况.

应变率对无铅焊锡接点力学行为的影响

对150℃条件下经过0,72,288,500 h等温时效的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊锡接点试样进行了应变率为2×10-4,2×10-2和2 s-1的拉伸试验,研究了时效时间和应变率对焊锡接点抗拉强度和破坏模式的影响.结果表明,应变率对焊锡接点的抗拉强度有明显强化作用,抗拉强度随应变率的升高而增大.应变率从低到高的过程中,焊锡接点的破坏模式由焊料内部的韧性断裂逐渐转变为界面金属间化合物(intermetallic compound-IMC)层内的脆性断裂.

焊锡接点金属间化合物晶间裂纹的内聚力模拟

为研究焊锡接点金属间化合物微结构对其微观--宏观力学行为的影响,采用Voronoi图算法构造了金属间化合物的晶粒尺度几何模型,通过在晶粒界面配置内聚力界面单元,提出了模拟金属间化合物晶粒界面裂纹起裂、扩展与连通的有限元数值模拟方法.基于该方法,研究了晶粒形状和晶粒界面缺陷对晶界微开裂模式和整体响应的影响,研究了金属间化合物微结构对焊锡接点强度和破坏模式的影响.结果表明,晶粒形状对整体强度影响不大,但对微裂纹开裂模式有影响.当考虑晶界随机缺陷时,强度较低的晶粒界面对整体强度影响较大.金属间化合物层的厚度对焊锡接点强度和破坏模式均有影响,而金属间化合物与焊料界面的粗糙度主要影响焊锡接点的破坏模式.

微电子封装中焊锡接点的界面应力奇异性

采用界面力学理论计算了不同形状的含铅/无铅焊锡接点界面应力奇异性指数,建立了焊锡接点的有限元模型,计算了线弹性、弹塑性和Johnson-cook材料模型的界面应力分布.结果表明:随着焊锡接点接触角的增加,界面应力奇异性增强;Sn37Pb/Cu界面比Sn3.5Ag/Cu和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面的应力奇异性明显;弹塑性变形和应变率效应降低界面应力.

焊锡接点IMC层微结构演化与力学行为

研究了150℃等温时效过程中无Pb焊料Sn3.0Ag0.5Cu与Cu基体间金属间化合物(intermetallic compound,IMC)的生长速率及形貌演化,以及IMC的生长演化对焊锡接点力学性能的影响.结果表明,IMC厚度与等温时效时间的平方根呈线性增长关系,随着等温时效时间的增加,IMC与焊料界面由初始的凹凸不平的扇贝状形貌逐渐变得平坦.IMC厚度和界面粗糙度共同影响焊锡接点的拉伸强度和断裂模式,随着时效时间的增加,IMC变厚,同时焊料与IMC界面变平坦,断裂模式由焊料内部的韧性断裂逐渐转变为IMC层内部的脆性断裂.

跌落冲击载荷下焊锡接点金属间化合物层的动态开裂

跌落冲击载荷作用下,含铅焊锡接点与无铅焊锡接点的破坏模式明显不同,而导致这种差异的原因目前尚不明朗.论文提出了一种可用于模拟焊锡接点在跌落冲击载荷下破坏行为的有限元模型,此模型中,金属间化合物(IMC)与焊料间的界面采用粘性区模型(CZM)来模拟其损伤开裂过程,而IMC层内的破坏程度则通过计算其能量释放率来判断.通过对板级封装跌落冲击过程的数值模拟发现,与无铅焊锡接点(Sn3.5Ag)相比,含铅焊锡接点(Sn37Pb)与IMC间的CZM层更容易发生损伤破坏,而该层的开裂会减小IMC层的应力,即降低了其内部的开裂驱动力,从而缓解了IMC层裂纹的起始和扩展.

焊锡材料的应变率效应及其材料模型

采用分离式霍普金森压杆和拉杆实验,研究了含铅Sn37Pb、无铅Sn3.5Ag和Sn3.0Ag0.5Cu 3种焊锡材料在600～2 200 s^(-1)应变率下的力学性能,得到了它们在不同应变率下的应力应变曲线.根据实验数据建立了3种焊锡材料的应变率无关弹塑性材料模型和率相关Johnson-Cook材料模型,并用于模拟板级电子封装在跌落冲击载荷下焊锡接点的力学行为.结果表明,高应变率下无铅焊料比含铅焊料对应变率更敏感,其抗拉强度为含铅焊料的1.5倍,其韧性也明显高于含铅焊料;在跌落冲击过程中,焊锡接点经历的应变率可达到1 000 s^(-1)左右;给出的率相关Johnson-Cook材料模型能预测出比率无关的弹塑性模型更合理的应力应变结果.

板级电子封装跌落／冲击中焊点应力分析

建立了板级BGA封装跌落/冲击问题的三维有限元模型,采用Input-G方法对PCB板的变形及焊锡接点应力等动力学响应进行了分析,探讨了约束条件对计算结果的影响,对焊点剥离应力产生的机理进行了讨论,提出了快速估算焊点应力的等效静力学模型并分析了误差.结果表明,模型中PCB板固定螺栓处的约束条件处理对结果有较大影响,合理的处理方法是在PCB板4个螺栓作用区的上下表面均施加水平方向位移约束.焊点应力最大值出现在冲击后0.4 ms,最大剥离应力发生在角部焊点与PCB板一侧的铜垫交界处.焊点应力与PCB板的弯曲变形密切相关,应力峰值和PCB板的变形峰值在时间上具有同步性.挠度等效静力学模型得到的焊点应力比动力学模型高23%左右.

跌落过程中焊点的有限元模拟

电子封装是连接电子系统和半导体芯片的一个纽带,焊球的破坏会导致整个封装结构的失效。随着便携式电子设备的不断普及,电子封装结构在跌落冲击过程中的可靠性逐渐成为研究的重点,建立了BGA封装跌落问题的三维有限元分析模型,模拟了水平自由跌落、垂直自由跌落和以任意角度自由跌落三种状态下PCB板的应变分布和焊球的应力应变情况,用以研究焊球的可靠性,并对三种不同跌落状况进行对比分析,模拟分析表明水平自由跌落状况最为危险,因此在真实跌落试验中建议采用此种跌落方式进行试验。

Sn3.0Ag0.5Cu焊材与基体间IMC层微结构演化及力学行为分析

以Sn3.0Ag0.5Cu焊接材料为研究对象,分析了Sn3.0Ag0.5Cu焊接材料与基体间IMC层的微观结构,探索了IMC微结构对焊锡接点断裂模式和拉伸强度的影响。结果表明,Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面是由IMC层、Sn3.0Ag0.5Cu焊料和Cu基体3部分组成。EDS定性分析了界面处的组织成分,发现有金属间化合物Cu3Sn和Cu6Sn5的存在。焊锡接点的断裂方式随着时效时间的延长,逐渐由韧性断裂转换为脆性断裂,拉伸强度并不是处于一直降低的状态,出现了一个小波动。