电子封装热-力载荷下粘塑性行为与失效研究

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文电子封装热一力载荷下粘塑性行为与失效研究作者姓名：李英梅指导教师：黄宝宗教授东北大学理学院申请学位级别：博士学科类别：工学学科专业名称：结构工程论文提交日期：动f争．年．／o论文答辩日期：沙，织夕．≯驴学位授予日期：矽f砒厂答辩委员会主席：≥丑尹评阅人：耙髟，豇I蛾，；徊川，；辛f习心／多辛／司人了东北大学2013年9月．万方数据ADissertationinStructureEngineeringJlUlllllllllllllllllllllllllllPlUll[rlUJY2996204StudyonViscoplasticBehavio

2、rsandFailureofElectronicPackages]ndcThe,,chanicalLoadingander1herm-mecIIanicalLOaolngNortheasternUniversitySeptember2013万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：张桫日期：M，班?，弓0学位论文版权使用授权书本学

3、位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年口学位论文作者签名：豸褒栖导师签名：瓒专玄签字日期：加1牛，；，弓D签字日期：矽心．；、罗D万方数据东北大学博士学位论文摘要电子封装热．力载荷下粘塑性行为与失效研究摘要近年来，电子工业得到了迅猛发展，成为最具发展潜力的产业之一。各种封装材料与结构不断涌现，无铅焊料替代锡铅焊料成为不可避免

4、的趋势，以球栅阵列封装为代表的表面贴装技术以其成本低、集成度高、重量轻、功能强大等优点正在逐步渗透到整个电子行业的各种产品之中。另一方面，电子封装结构中焊球的主要失效形式为热疲劳和振动疲劳，因此需要对新型封装材料与结构在热．力载荷作用下的响应进行深入、系统的研究，进一步了解其热粘弹塑性行为和失效的机理，为更好地提高封装结构的可靠性提供必要的理论基础和分析方法。本文在较为全面地把握了封装材料和结构的行为和失效的实验研究、理论分析和数值模拟的研究现状的基础上，选取SnAgCu系列无铅焊料和BGA封装结构为研究对象，开展这一课题的研究工作。主要内容有：1．以无铅焊料Sn4A90．5

5、Cu(简写成，SAC405)为对象，进行不同温度和加载速率下的单轴拉伸实验，分析焊料力学性能的与率相关性，探讨加载条件对焊料性能的影响，确定焊料两种本构模型——统一型Anand粘塑性模型和分离型粘塑性模型的适用性和材料参数，数值模拟结果与实测结果吻合。2．通过无铅焊料SAC405在不同温度、应变幅和加载频率下的拉压疲劳实验研究发现，影响焊料低周疲劳寿命的最主要因素是加载幅度，加载频率和温度对焊料疲劳寿命有一定影响。根据实验结果，总结变化规律，用幂形式考虑频率影响、用指数形式考虑温度影响，提出一个修正的Manson．Coffin公式，该式简便、与实验符合良好。3．根据Lemai

6、tre的损伤理论，采用各向同性损伤标量描述SAC405焊料的循环软化，其与率相关的损伤演化参数叩受加载的应变幅度影响较大，随着应变幅的增加明显提高，同时会随着加载频率的提高而微弱增加，而温度对叩的影响较小。根据试验观测，建立了双幂形式的演化参数方程。基于分离型粘塑性损伤本构方程，结合等向强化模型和线性卸载定律，能够模拟拉压循环载荷下SAC405焊料的低周疲劳行为，实验值与数值结果吻合良好。TT万方数据东北大学博士学位论文摘要4．将均匀化理论和高阶逐层离散层板理论相结合，建立用于具有非完全周期性细观微结构的带有底充胶的BGA封装结构的热弹．粘塑性双尺度解析分析模型；采用宏、细观

7、瑞利一里兹法，将细观求解域简化为轴对称问题，方法简单高效，宏观位移函数采用幂函数和级数函数线结合的设置方式，有很好的求解精度和收敛速度；在热载荷作用下，焊球和底充胶界面处位移、应变、应力有局部明显变化，虽然局部的位移数量级较小，但它所对应的应变、应力却是与宏观应力场同一数量级的，文中给出的双尺度分析能够解决这一困难，很好地反映两种材料界面附近的这种局部位移和应力的变化。5．对含有BGA封装结构的M12PP．02(S5)主控板的动态特性进行了实验研究与数值模拟，使用金相切片分析方法与染色渗透检测技术观察焊