Parameter fitting of constitutive model and FEM analysis of solder joint thermal cycle reliability for lead-free solder Sn-3.5Ag

The experimental tests of tensile for lead-free solder Sn-3.5Ag were performed for the general work temperatures range from 11 to 90 ℃ and strain rate range from 5×10-5 to 2×10-2 s-1, and its stress—strain curves were compared to those of solder Sn-37Pb. The parameters in Anand model for solder Sn-3.5Ag were fitted based on experimental data and nonlinear fitting method, and its validity was checked by means of experimental data. Furthermore, the Anand model was used in the FEM analysis to evaluate solder joint thermal cycle reliability. The results show that solder Sn-3.5Ag has a better creep resistance than solder Sn-37Pb. The maximum stress is located at the upper right corner of the outmost solder joint from the symmetric center, and thermal fatigue life is predicted to be 3.796×104 cycles under the calculated conditions.

钎料合金蠕变行为及非耦合型本构理论研究进展

在严苛的服役环境与小型化结构设计需求的双重作用下,航天仪器设备所承受的载荷不断增加并愈加复杂,而焊点、引线等封装结构作为仪器设备的薄弱环节,一旦破坏往往会导致器件甚至设备功能丧失,为了提升仪器设备的环境适应性与可靠性,需要准确把握封装结构材料蠕变行为与损伤机理,完善钎料合金本构理论并提升材料蠕变性能预测精度,发展封装结构精细化仿真分析方法。本文梳理了钎料合金蠕变性能及其影响因素,回顾了非耦合型本构理论的发展历程与研究热点,分析了相关模型的预测能力,为深入理解钎料合金蠕变行为与性能预测奠定基础。

无铅焊料的力学性能研究及ANAND本构参数确定

根据ASTM E8M-04标准,对两种无铅焊料91.5Sn8.5Sb和95.5Sn3.8Ag0.7Cu分别在15℃、75℃、150℃温度下和10-5s^10-2s十种应变速率下进行了一系列恒定应变速率的拉伸试验。分析了这两种无铅焊料的粘塑性力学行为。实验表明这两种无铅焊料具有温度和应变速率相关性。采用统一型Anand粘塑性本构式,描述了这两种无铅焊料的非弹性率相关的变形行为,并基于非线性拟合程序确定了Anand粘塑性本构式的九个材料常数。结果表明Anand式能有效描述无铅焊料的粘塑性行为,可应用于电子封装无铅焊点的可靠性模拟和失效分析。

Sn-Pb共晶钎料合金的Bodner-Partom本构方程

采用Ｂｏｄｎｅｒ－Ｐａｒｔｏｍ粘塑性本构理论研究了Ｓｎ－Ｐｂ共晶合金的本构方程。在应变速率１０－５—１０－２Ｓ－１、温度为－５５—１２５℃的外部变量范围内进行了单轴拉伸和稳态蠕变数值模拟，结果与实验吻合良好。同时讨论了该本构方程用于ＳＭＴ焊点热循环寿命预测的实际意义。

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究

在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验。研究了在具有不同保持时间、不同应变率、不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响。基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟。实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率、保持时间以及应变幅值依赖性。本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为。

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的含非比例度的多轴时相关本构模型研究

基于96.5Sn-3.5Ag钎料合金的多轴时相关变形行为,提出了一个考虑其多轴变形特性的本构模型.在该模型背应力演化方程中,引入了非比例度对背应力演化率的影响,并提出了模型参数的确定方法.在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了十字形、双三角形及椭圆形等拉扭组合非比例循环应变路径下的变形行为的本构模拟,并将预言结果与实验结果进行了比较.预言结果表明,该模型对于96.5Sn-3.5Ag钎料合金的多轴应变循环变形行为具有很好的预言能力.

考虑空洞效应的共晶钎料合金粘塑性-损伤本构模型

在温度298K^398K和恒应变率10-5/s^10-3/s范围内进行一系列的拉伸实验,研究共晶焊料的力学行为,揭示空洞成核和生长变形机理的存在。提出一种考虑孔洞效应的粘塑性-损伤模型,基于Guron-Tvergaard-Needleman思想和正交法则,引入孔洞体积分数作为损伤变量以描述共晶钎料的力学特性。与实验数据比较,验证粘塑性-损伤模型对锡铅合金在恒应变率和稳态塑性流动条件下应力应变行为的预测能力。结果表明,该模型能够有效描述共晶焊料的本构行为:非线性、应变率敏感性、空洞损伤演化,并可用于分析电子封装中焊点的可靠性问题。

微电子封装钎料时相关本构模型的有限元实现

为便于工程应用,该文对已有的关于微电子封装63Sn-37Pb钎料合金材料的时相关变形本构模型在有限元软件ABAQUS上进行了移植。在有限元移植中,鉴于该时相关本构模型的复杂性,该文对传统的隐式算法进行了适当的修正处理,对现时内变量进行了更新;自行推导了一致切线刚度矩阵,以提高有限元程序的平衡迭代效率;对63Sn-37Pb钎料合金的多种加载工况进行了数值模拟,移植后的数值模拟结果与已得到验证过的数值模拟结果的比较表明该文的有限元移植是合理成功的;最后,作为应用的一个实例,该文对该材料的剪切结构试样进行了循环加载下的有限元模拟。