无铅钎料的统一型本构模型

论文摘要

随着环保呼声的高涨和越来越多禁止在电子产品中使用含铅钎料的法案的出台,无铅钎料在微电子封装工业中全面代替有铅钎料已经是大势所趋。焊点的可靠性对整个集成电路封装的可靠性甚至电路本身性能的可靠性都有着重要的意义。然而在当前,由于无铅钎料本身还处于发展的初期,学术界对无铅钎料进行的力学性能研究相对匮乏。在这种背景下,对无铅钎料的力学性能进行全面的试验和理论研究是很有必要的。本文选用Sn-0.7Cu和Sn-3Ag-0.5Cu两种目前使用最广泛,也是最具发展前景的无铅钎料作为研究对象。使用实验室自主研发的能够进行小型试件多轴复杂加载试验的微型材料试验机,对上述两种钎料进行了多种温度和应变率下的单轴拉伸、蠕变、应变率跳跃、应力跳跃等简单试验,以及单轴棘轮,循环扭转,多轴棘轮,多轴复杂路径加载等复杂的循环本构试验。用Anand、Bodner-Partom、SVBO、McDowell等四种本构模型对两种试验材料的单轴拉伸曲线进行了模拟,在此基础上讨论了这几种模型对无铅焊锡钎料的适用性。在若干组不同温度和应变率的单轴拉伸试验现象的基础上,用饱和应力归一化的概念将不同条件下的单轴拉伸试验曲线统一了起来,提出了无背应力概念的统一型本构模型——模型I。发现单轴棘轮试验曲线加载卸载段的不对称性,现有的四种本构模型以及模型I都无法解释这种现象。在模型I的基础上提出了有背应力概念的统一型本构模型——模型II。该模型采用类似于McDowell模型的两个背应力分量,并对其中的短程背应力引入了类似于“屈服面”的“加载面”概念。这一模型成功地模拟了棘轮试验中滞环的不对称现象,并对复杂路径加载等试验作出了成功的模拟,同时又保持了模型I预测简单试验的良好功能。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 微电子封装的可靠性
• 1.2 无铅钎料的发展现状
• 1.2.1 锡铅钎料
• 1.2.2 无铅钎料
• 1.3 材料的本构关系
• 1.3.1 无背应力概念的统一型本构模型
• 1.3.2 有背应力概念的统一型本构模型
• 1.4 棘轮效应
• 1.5 锡铅钎料和无铅钎料力学性能的试验研究
• 1.6 微型材料试验机
• 1.7 本文的研究工作及研究意义
• 第二章 微型拉扭疲劳试验机研究
• 2.1 微型拉扭疲劳试验机简介
• 2.2 微型拉扭疲劳试验机的硬件构成
• 2.2.1 作动系统
• 2.2.2 控制系统
• 2.2.3 测量系统
• 2.2.4 周边配套系统
• 2.2.5 温控设备
• 2.2.6 试验机工作流程简述
• 2.3 微型拉扭疲劳试验机的试验控制软件
• 2.3.1 试验软件主要功能介绍
• 2.3.2 试验软件核心控制程序
• 2.4 真应力应变控制及其实现方法
• 2.4.1 真应力和真应变控制的必要性
• 2.4.2 真应力控制
• 2.4.3 真应变控制
• 2.5 本章小结
• 第三章 试验材料及试验方案
• 3.1 试验材料与试件制备
• 3.2 试验和计算中的几个关键问题
• 3.3 试验方案
• 3.3.1 单轴拉伸试验
• 3.3.2 应变率跳跃试验
• 3.3.3 应力跳跃试验
• 3.3.4 单轴棘轮试验
• 3.3.5 扭转试验
• 3.3.6 多轴棘轮试验
• 第四章 几种统一型本构模型对单轴拉伸试验的模拟
• 4.1 单轴拉伸试验结果
• 4.2 适用于焊锡钎料的本构模型的讨论
• 4.3 Anand模型
• 4.4 Bodner-Partom模型
• 4.5 SVBO （Simplified Viscoplasticity Theory Based on Overstress）模型
• 4.6 McDowell模型
• 4.7 不采用背应力概念的本构模型——模型I
• 4.7.1 “饱和应力”的概念及其与试验条件的关系
• 4.7.2 “变形阻抗”的概念及其作用
• 4.7.3 单轴拉伸曲线的统一
• 4.7.4 变形阻抗的演化律
• 4.7.5 模型I对试验数据的模拟
• 4.8 本章小结
• 第五章 单轴与多轴棘轮现象的描述
• 5.1 单轴棘轮滞环的不对称性
• 5.2 采用背应力概念的本构模型——模型II的构建
• 5.2.1 模型II的主要架构及方程
• 5.2.2 模型II的参数确定过程
• 5.3 模型II对单轴简单试验的模拟
• 5.4 模型II对单轴棘轮试验的模拟
• 5.5 材料各向同性问题的讨论
• 5.6 模型II对扭转循环试验的模拟
• 5.7 模型II对多轴棘轮试验的模拟
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录I：主要符号说明
• 附录II：缩略语表
• 附录III：模型II对两种钎料多轴棘轮试验的模拟
• 致谢