微电子封装钎料高温时相关耦合损伤本构模型及其工程应用

论文摘要

在现代微电子工业中，微电子封装工艺以及服役条件下各种材料间的热不匹配常常使钎焊点受到很大的非弹性应变和蠕变应变，这使得钎焊点在整个电子部件中成为最薄弱的一环。由于钎焊点受到复杂的循环加载和温度环境的作用，其循环变形和应力响应十分复杂。目前对钎料与钎焊点在复杂加载条件下的循环变形和应力响应的研究已成为电子封装焊点可靠性和耐久性研究的难点和热点之一。鉴于此，开展电子封装中钎焊点在高温复杂加载下的时相关变形特性的研究，发展高温时相关耦合损伤本构模型以及实现本构模型的有限元移植，不但对电子封装技术的进一步发展提供理论依据，而且为所发展的本构模型的工程应用奠定基础。本文对63Sn-37Pb钎料合金开展了如下研究工作：1．在温度条件为323K、353K、373K和398K下，进行了一系列应变率、保持时间、加载波形和应变幅值的循环试验。通过以上试验，研究加载率、保持时间、加载波形、应变幅值和试验温度对63Sn-37Pb钎料合金时相关变形行为的影响，为建立时相关耦合损伤本构模型提供了实验基础。2．基于实验结果，在不可逆热力学和连续介质力学框架下，以Sandia本构模型和杨显杰的粘塑性模型为基础，发展用于高温单轴加载下的耦合损伤的粘塑性本构模型。该模型能够描述材料在具有较大范围的加载率、保持时间、应变幅值、加载波形和试验温度的应变循环加载历史下的材料时相关变形行为。针对所发展的本构模型提出一套行之有效的参数确定方法。借助FORTRAN采用中心差分法将发展的本构模型编成FORTRAN程序，用于预测试验结果，检验新发展的本构模拟的预言能力。3．对新发展的本构模型在大型有限元软件ABAQUS上进行了有限元移植。通过本构方程的离散、隐式应力积分更新内变量。推导了一致切线刚度矩阵，用于有限元程序的平衡迭代。通过一系列的加载工况验证有限元移植的合理性。并进行简单结构件的有限元分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 63Sn-37Pb钎料合金的研究现状
• 1.2.1 时相关宏观变形行为的实验研究
• 1.2.2 时相关粘塑性本构模型的研究
• 1.2.3 本构模型的有限元实现
• 1.3 现有研究工作的不足
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 钎料合金高温复杂加载下的实验研究
• 2.1 实验条件
• 2.1.1 试验试样
• 2.1.2 试验机
• 2.1.3 加载工况
• 2.1.4 相关约定
• 2.2 单轴单调拉伸试验
• 2.3 单轴循环加载试验
• 2.3.1 变应变速率循环加载试验
• 2.3.2 拉伸压缩变速率循环试验
• 2.3.3 变应变幅值循环加载试验
• 2.3.4 应变保持时间循环加载试验
• 2.4 蠕变试验
• 2.4.1 蠕变加载工况
• 2.4.2 材料蠕变特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 钎料合金高温耦合损伤粘塑性本构模型
• 3.1 高温粘塑性本构模型
• 3.1.1 粘塑性流动方程
• 3.1.2 随动硬化演化方程
• 3.2 损伤演化方程
• 3.3 材料参数的确定
• 3.3.1 初始弹性模量等的确定
• 3.3.2 背应力演化参数
• 3.3.3 粘塑性参数
• 3.3.4 损伤参数
• 3.4 材料参数表
• 3.5 本章小结
• 第4章 粘塑性本构模型的预言能力
• 4.1 323K下模型的预言能力
• 4.2 353K下模型的预言能力
• 4.3 373K下模型的预言能力
• 4.4 398K下的模型预言能力
• 4.5 损伤演化对材料循环的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 粘塑性本构模型的有限元实现
• 5.1 内变量求解
• 5.1.1 本构方程的离散化
• 5.1.2 隐式应力积分
• 5.1.3 张量的表示与存储
• 5.2 一致切线刚度矩阵
• 5.3 移植的合理性验证
• 5.4 算例及讨论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 一 钎料合金高温时相关宏观变形行为的实验研究
• 二 钎料合金高温时相关藕合损伤本构模型
• 三 钎料合金高温时相关藕合损伤本构模型的有限元移植
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间撰写和发表的论文