通孔元件焊点的抗热疲劳性能预测.pdf

通孔元件焊点的抗热疲劳性能预测 哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室孙丽丽王春青 摘 要：对焊点进行在热冲击服役条件下的力学行为分析是研究互连焊点失效机制的可行手段。采用 MSC．M越屺2000／~匝N1-AT2000软件，建立了波峰焊焊点的可靠性分析力学模型，对温度循环载荷下通孔 焊点内部应力应变场的分布特征进行了三维有限元模型的数值模拟，以了解焊点内部力学参量。结果表明， 波峰焊点中圆角与引线接触界面，圆角与镀铜焊盘接触界面，以及线路板与镀铜管接触的拐角处是高应力 应变的集中区，这些位置容易引起裂纹产生和扩展。在热载荷过程中，应力一应变场的等值分布呈现出与 温度历史相关的动态特性。 关键词：通孔焊点、抗热疲劳能力、应力应变场、有限元 0前言 软钎焊是微电子封装与组装互连中主要的焊接方法。互连软钎焊的失效一方面来源于生产装配 工序中的焊接故障，如桥连、虚焊、曼哈顿现象等；另一方面是在服役条件下，当环境温度变化时， 由于元件与基板材料存在的热膨胀系数差，在焊点内产生热应力，应力的周期性变化会造成焊点的 疲劳损伤，同时相对于服役环境的温度，snPb钎料的熔点较低，随着时间的延续，产生明显的粘性 行为，导致焊点的蠕变损伤。在确定焊接工艺、设备的前提下，焊点可靠性问题主要是焊点在服役 条件下的蠕变疲劳问题。 1数学模型 1．1SnPb钎料的粘塑性本构模型 SnPb钎料是低熔点金属，在加载条件下，它的变形具有弹性、塑性、蠕变共存的特征，对互连 焊点进行应力应变有限元分析，其关键问题是建立SIlPb钎料在加载条件下的应力应变关系模型， 即本构模型。所建立的本构关系应能合理地描述STlPb钎料非弹性应变速率与应力、温度和微观组 织的依赖关系，以及微观组织随焊点变形而发生的演化过程。本文从研究的目的和对象出发考察焊 点在热循环条件下的力学行为，由于一方面精确有效的描述S11Pb合金粘弹塑性本构关系目前尚不 可能，另一方面，采用目前普遍的把SnPb合金塑性变形和蠕变变形独立进行考虑的方法对本文研 究的对象和目的在相当好的精度内就能作出有效的处理。因此本文SIlPb合金本构关系的引用和处 理仍采用弹塑性与蠕变分开考虑的方法，对S11Pb合金钎料的粘弹塑性描述相应地可理解为“弹塑 性+蠕变”。 1．弹性部分 Hooke定律的张量形式为 占l『2 (1)(1) ；盯=警；盯一考；船毛T％一面仃船％ delata符号。 式中4，——Kmnerckcr 2．塑性部分 描述为 州一每面兰吾视眄=詈讹 (2) 塑性部分的应力应变关系可描述为 Ss (3) 5‘pu…o瓦O-l 3．蠕变部分 蠕变本质上是一种率相关的塑性变形，可以用Prandtl-Reuss流动增量理论来描述‘11。 蠕变应变率与蠕变势能函数存在如下关系 ．_ 1c a-仂wrx，r一{f一、J 8 (4) u=笼—=一 ooti 式中刀——与加载历史有关的特定参数； 伊(％)——类似于塑性势能函数的蠕变势能函数。 假设材料为各向同性、不可压缩且服从VonMises屈服准则，则 型型：盟；s。