循环载荷下电子元件的界面层裂扩展(转载).pdfVIP

模塑封器件的界面层裂案例解析 本次案例解析主要针对目前常见的电子封装元器件—模塑封器 件，研究了EMC （环氧树脂模塑化合物）与铜的界面裂纹扩展分析。 此次分析利用了没有厚度的内聚力单元来替代EMC 与铜的界面粘结 剂，考虑了不同的断裂模式 （张开型以及滑移形式）下的界面裂纹开 裂，在材料方面考虑了铜材料的塑性，施加了循环位移载荷，分析了 宏观条件下的沿特定路径的准静态界面裂纹扩展，分析完成以后又计 J 算了针对此次案例分析比较重要的断裂参数 积分，以及在没有内聚 力存在时假定裂纹长度下的界面开裂。 1 第 小节 界面层裂的扩展 1、案例分析所用到的有限元模型 本次案列解析用到的有限元模型主要包含三部分，一部分为 EMC模型，一部分为铜，一部分为施加边界条件的杆。详细的有限 元模型如下图所示。 图 1 界面层裂分析有限元模型 上述的有限元模型仅是考虑了张开型的断裂模型，不妨称此模型 SD0 2 1 为 ，考虑了混合模式的有限元模型如下图 所示。在图 模型的 基础上增加了一个铝块，如下图中的蓝色部分，不妨称此模型为SD1。 图 2 混合模式的断裂模型 2、界面开裂的内聚力形式 此次案例解析采用的内聚力模型是ANSYS 里面比较常见的基于 CBDE 能量释放率 （ ）的界面开裂形式，设定了切向和法向的界面接 触压力，以及混合模式 （张开型以及滑移型）的临界能量释放率。 3、本案例施加约束 此案例分析中施加了斜坡形式的位移载荷，遵循加载—卸载—加 载—卸载的过程，为了确保层裂能够向前扩展，采用了位移逐次增加 的形式，此次仿真分析考虑到能量释放率的数值是一个常数，每次加 载材料失效后其数值认为是不变的，并且所有节点具有相同的能量释 放率，为此并不是真正意义上的疲劳层裂扩展。 4、案例结果剖析 获得了不同的断裂模式以及不同材料特性下的界面层裂扩展曲 线。 图 3 SD0模型的界面层裂曲线 图 4 SD1模型的界面层裂曲线 上述的界面层裂只是进行了一个循环，明显看出考虑了材料的塑 性以后，在卸载过程已不再回复到原点，说明铜材料产生了不可恢复 的塑性变形，超过了铜材料本身的弹性恢复极限。相比之下，没有考 虑铜材料的塑性，卸载能够完全回复到初始位置。此外，为了能更直 观的阐述上述的弹性材料与塑性材料的差异性，本次案例针对SD0 5 模型又进行了 个加载循环，得到了更为详细的界面层裂扩展曲线， 5 如下图 所示。 图 5 SD0 模型下的5个加载循环层裂扩展曲线 不难发现上述的弹塑性裂纹扩展曲线随着施加位移载荷的增大 与原点的距离逐渐变大，线弹性模型依旧变化很小，甚至没有什么变 化。 基于上述的分析，本案例得出考虑材料的弹塑性更符合实际的情 形，界面裂纹产生以后是一个不可逆的过程，很难再恢复到跟原来一 样的情形。当然SD1模型也会得到上述的情形，本案例在此不再多 陈述。 2D 为了更加符合实际，一方面考虑到上述的情形只是针对 模型 进行的分析，然而现实的情况模型都是三维的；另一方面为了确保仿 真结果的可行性，设计了部分实验并进行了相关的对比分析，其过程 如下所示。 图 6 （a）SD0模型线弹性条件下的二、三维界面层裂曲线 图 6 （b）SD1模型弹塑性条件下的二、三维界面层裂曲线 图 6 （c）SD0模型实验与仿真曲线的对比