片式元器件无焊缝焊点热循环加载应力应变分析

建立了片式元器件无焊缝焊点有限元分析模型,研究了热循环加载条件下焊盘长度、焊盘宽度、焊点体积和焊点材料对焊点热循环应力应变的影响。结果表明:热循环加载条件下,片式元器件无焊缝焊点内的应力应变大于有焊缝焊点;在只单一改变焊盘长度、焊盘宽度和焊点体积的前提下,无焊缝焊点内的最大应力应变随焊盘长度和焊点体积的增大而增大、随焊盘宽度的增大而减小;对于Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、SAC305和SAC387这四种焊料,采用无铅焊料SAC305的无焊缝焊点内的最大应力应变最小。     

无铅BGA回流焊残余应力仿真分析

以热弹塑性理论为基础,建立无铅BGA焊点在回流焊工艺中的残余应力有限元模型,采用ANSYS进行热结构耦合分析,得到Sn3.5Ag0.75焊点回流冷却结晶后的残余应力分布规律。并针对焊点的直径、焊点的高度、PCB板的厚度和对流系数四个因素建立正交试验表,分析这四个因素对BGA冷却过程中残余应力影响规律,通过极差分析得出影响程度由大到小分别为对流系数、焊点高度、焊点直径、PCB板厚度,对控制BGA回流冷却残余应力提供理论指导。     

BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型,阐明其与连续介质损伤力学的联系,评估应力三轴度对预测模型的影响,并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列(Ball grid array,BGA)结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点(高度为500～100 μm,焊盘直径为480 μm)疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明,疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系;应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率,并最终影响焊点的疲劳寿命;应力三轴度与加载方式有关,拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响,应力三轴度随焊点高度降低而明显升高;而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限,焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小;测得的高度为100 μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命,表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。     

电子封装SnPb钎料和底充胶的材料模型及其应用

采用统一型粘塑性Anand模型描述SnPb钎料的非弹性力学行为,基于试验数据和弹塑性蠕变本构模型,确定了92.5Pb5Sn2.5Ag和60Sn40Pb两种钎料Anand模型的材料参数。采用线性粘弹性Maxwell模型,描述了一种倒装焊底充胶U8347-3材料的模量松弛和体积松弛,得到了相应的松弛参数,研究对所给出的材料模型和参数进行了验证。另外,利用有限元法模拟了倒装焊在热循环条件下的应力应变行为,分析了SnPb焊点的塑性应变和热循环寿命。结果表明,采用上述材料模型和参数,可以合理描述SnPb钎料和底充胶的力学本构,并可应用于电子封装的可靠性模拟和分析。     

随机振动载荷下混装组件焊点的可靠性分析

选取混装组件进行建模仿真,建模时将混装组件中焊点和引脚等效成一个块状进行简化处理。采用GJB150.16-86中推荐的"第8类随机振动—喷气式飞机振动环境"振动试验条件进行随机振动仿真分析,分析组件的翘曲度、组件应力集中区域(薄弱环节)、组件中器件焊点应力应变分布及危险焊点位置;再运用子模型法建立危险区域焊点精细模型,利用子模型来求解3种不同类型焊点的应力应变值;最后运用Miner疲劳累积损伤理论、三带技术和三参数S-N曲线近似公式进行不同类型焊点寿命估算。研究结果表明:翼形引脚焊点类型抗振强度最低,J型引脚焊点类型其次,BGA类鼓状焊点类型抗振强度最好;BGA类鼓状焊点振动疲劳寿命为14.18h,翼形焊点疲劳寿命为8.54h,J形焊点疲劳寿命为8.96h。     

Sn60Pb40焊层在热循环过程中蠕变行为的仿真研究

文中采用ANAND焊点本构关系模型描述了Sn60Pb40焊层蠕变行为,通过MARC有限元软件模拟了电子封装器件Sn60Pb40焊层在热循环中的蠕变过程,研究了Sn60Pb40焊层的蠕变应变最大值出现的位置,分析了封装结构热失配和焊层厚度对Sn60Pb40焊层蠕变应变的影响。结果表明:焊层边角处最早发生蠕变断裂,降低封装结构热失配程度和优化焊层厚度均可减小Sn60Pb40焊层的蠕变变形。该研究结果不仅为封装结构的热匹配优化设计提供了新的思路,也为预测焊层蠕变断裂位置和优化工艺提供了技术支持。     

基于数值模拟的多圈QFN封装热疲劳可靠性试验设计方法

提出一种基于数值模拟的试验设计方法,研究材料属性和几何结构对多圈四边扁平无引脚(Quad flat no-lead,QFN)封装热疲劳寿命的影响,并进行最优因子的组合设计,以提升热疲劳可靠性。采用Anand黏塑性本构模型描述无铅钎料Sn3.0Ag0.5Cu的力学行为,建立三维有限元模型分析焊点在温度循环过程中的应力应变,采用Coffin-Manson寿命预测模型计算多圈QFN封装的热疲劳寿命。采用Taguchi试验设计(Design of experiment,DOE)方法建立L27(38)正交试验表进行最优因子的组合设计。采用有限元分析方法对最优因子组合设计结果进行验证。结果表明,印制电路板(Printed circuit board,PCB)的热膨胀系数、焊点的高度和塑封料的热膨胀系数对热疲劳寿命的影响最为显著;初始设计情况下多圈QFN封装的热疲劳寿命为767次;最优因子组合设计情况下的热疲劳寿命提高到4 165次,为初始设计情况下的5.43倍。     

PCB组装板多器件焊点疲劳寿命跨尺度有限元计算

随着电子设备向着小型化、多功能化方向发展,互连的可靠性越来越受到人们的重视。现有研究的分析对象大多为单个器件,而实际服役过程中,印制电路板(Printed circuit board,PCB)的形变、传热、受力情况都将对焊点可靠性产生影响。传统焊点可靠性有限元分析以单一器件为基础,而将仿真对象扩展为整个PCB板,对于提升焊点可靠性评估的准确性和有效性具有重要的意义。利用ANSYS有限元软件,对处于不同尺度的焊点、器件以及PCB板进行建模,分析再流焊载荷下各器件焊点的残余应力应变分布,讨论热循环后各器件焊点的危险位置,并根据修正的Coffin-Manson模型,给出各封装类型焊点的热循环寿命。通过与器件级焊点可靠性模拟结果的对比,说明板级有限元分析的必要性和不可替代性,进一步完善焊点可靠性有限元分析理论。     

电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

基于蠕变模型细间距器件焊点疲劳寿命预测

基于Garofalo-Arrheninus模型,采用有限元软件Marc模拟焊点温度场、应力—应变场和变形情况,借助修正C-M方程计算焊点的疲劳寿命。研究结果发现,器件相应材料中,只有印刷电路板内部温度场分布不均匀,这是材料热传导系数过小所导致的。发现应力集中的区域出现在焊根、焊趾以及引线和焊点交界处,基于Marc软件和基于Ansys软件模拟的结果一致,并和实际情况良好吻合。时间历程蠕变和塑性应变出现明显的累积迭加的趋势,两者共同作用导致焊点破坏,致使器件失效。在温度循环加载的过程中,整个器件一直处于拉应力的状态。基于修正C-M方程计算出焊点的疲劳寿命为665.7周次,和试验结果基本吻合。     

球化介质对球栅阵列封装钎焊球质量的影响

以63Sn37Pb焊丝为原料,分别以花生油、硅油、机油、蓖麻油为球化介质,利用切丝重熔法在球化温度为320℃下制备了球栅阵列封装(BGA)焊球,研究了不同球化介质对焊球真球度、表面质量及含氧量的影响。结果表明:当球化介质为花生油时,焊球的真球度最高,为98.89%,表面质量最好,且含氧量最低,为0.027%(质量分数);花生油的球化效果最好,蓖麻油次之,硅油和机油的最差。     

电-力耦合作用下Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点的拉伸力学性能和断裂行为

对比研究三明治结构线形Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在拉伸、电-拉伸和电迁移后电-拉伸三种加载模式下的力学行为和断裂特性,并基于电流引发的焦耳热效应和电迁移效应,从电流对原子和空位扩散、空位浓度及位错滑移与攀移的影响等方面,探讨电-力耦合载荷对焊点拉伸断裂行为的影响。结果表明,焊点在电-拉伸时应力-应变曲线呈现快速变形、线性变形和加速断裂三阶段,其中快速变形阶段是以焦耳热引起的热弹性变形为主,而拉伸和电迁移后电-拉伸时应力-应变曲线只存在线性变形和加速断裂阶段;电迁移后电-拉伸时焊点断裂强度和断裂应变最小而等效模量最大,拉伸加载时焊点断裂强度和断裂应变最大而等效模量最小;电-拉伸时β-Sn相趋于沿电、力加载方向排列;三种加载模式下焊点断裂均发生在钎料体内,呈韧性断裂。     

多道多层堆焊成形数值模拟及残余应力研究

本文利用Marc有限元软件对高温合金的多道多层堆焊过程进行了数值模拟,讨论了堆焊厚度和堆焊路径对焊后残余应力的影响。结果表明,堆焊厚度的增加会导致横向残余应力峰值增大,并使堆焊层局部应力的方向改变,从而受到多向应力作用,因此堆焊层在满足使用要求的前提下,堆焊厚度不易过大。同时,由于受到前后焊缝温度的影响,堆焊层间存在应力释放的现象。另外,对比了“逐道堆焊”和“逐层堆焊”过程中焊后残余应力分布情况。“逐层堆焊”相比于“逐道堆焊”所产生的残余应力分布更加均匀,且残余应力峰值更小。     

关于消除焊后残余应力及焊后热处理温度问题的探讨

我们知道焊接过程是一个热循环过程,焊后往往存在着残余应力,致使产生冷裂纹造成质量事故,所以必须消除应力。结构钢常用的消除焊接残余应力的方法是采用热处理把焊件的整体或局部均匀加热至材料相变点以下的温度范围,一般为550-650℃,经一定时间保温,此时金属未发生相变,但在此温度上,其屈服极限降低,使内部由于残余应力的作用而产生一定的塑性变形,使应力得以消除,然后再均匀缓慢地冷却。     

SnAgCu/SnAgCuCe焊点的显微组织与性能

针对SnAgCu和SnAgCuCe两种无铅焊点,研究焊点内部组织、力学性能及热疲劳特性。研究结果表明,稀土元素Ce的加入可以提高焊点的力学性能,稀土元素的添加可以使SnAgCu焊点拉伸力提高近12.7%。稀土元素的添加细化SnAgCu基体组织,同时减小金属间化合物颗粒(Cu6Sn5和Ag3Sn)的尺寸,这是SnAgCuCe焊点力学性能提高的主要原因。拉伸断裂后的扫描电镜分析表明,两种焊点的断裂呈现明显的韧性断裂特征。另外在温度循环载荷下,稀土元素可以显著提高SnAgCu焊点的疲劳寿命。基于有限元模拟发现SnAgCuCe的抗蠕变性能显著高于SnAgCu焊点。     

带预应力BGA焊点温循可靠性评估方法研究

文中首先制作了无铅焊料SAC305的拉伸试样,在不同温度和应变率条件下进行了单轴拉伸试验,研究其力学性能;进行了Anand本构模型的研究和参数拟合分析,通过非线性拟合方法获得了Anand模型的9个参数,应用有限元仿真软件ABAQUS建立模型来预测应力–应变曲线,将其与试验数据曲线相比较,两者结果基本吻合。其次,通过仿真测试对比分析散热器装配预应力对芯片焊点温度循环（以下简称温循）可靠性的影响。基于以上试验和数据拟合得到的Anand模型参数,建立散热器及球形栅格阵列（Ball Grid Array, BGA）器件的四分之一对称三维模型进行模拟,分析有或无散热器两种状态下,模型在?40 ?C ～ 125 ?C温循载荷下的焊点应变,利用coffin-manson公式对焊点寿命进行了预测。仿真及测试结果均表明,应变最大值位于器件角上焊点与芯片接触侧,装配预应力对焊点温循寿命存在影响。     

不同温度下15CrMoR循环塑性实验研究及低周疲劳寿命预测

在20℃,200℃,300℃和400℃下对15CrMoR进行了循环塑性行为和棘轮效应—疲劳交互作用的实验研究。不同温度下全寿命内循环塑性实验表明,非对称循环加载的大部分时段棘轮应变率基本保持稳定,后期接近失效阶段才急速增大。各温度下棘轮应变随平均应力、应力幅的增大而增大。低周疲劳寿命受平均应力和应力幅的共同影响,但应力幅的影响更大。与Coffin-Manson模型及Morrow修正模型相比,各温度下MSRS模型对材料疲劳寿命的预测更为准确。采用含温度参数的MSRS模型可较方便地预测不同温度下材料的疲劳寿命。     

热输入对电机支架不同位置V型接头焊接热循环和残余应力的影响

利用非线性有限元软件Ma r c建立含6处V型接头的管状电机支架模型,模拟研究了热输入对6处V型接头起弧端热循环以及焊缝区残余应力的影响.结果表明:热输入越高,起弧端温度峰值越高,接头在加热和冷却过程中的受热越均匀;热输入对焊缝前端和末端焊接残余应力的影响较小;对于焊缝中段,热输入越大,焊接残余应力越小,并且除了接头Ⅱ外,其他接头焊缝中段残余应力均表现为拉应力.     

轮毂轴承外圈整体淬火过程的数值模拟

使用材料性能模拟软件JMat Pro得到GCr15钢的热物理参数,以第1代轮毂轴承外圈为例,建立外圈淬火的温度-组织-应力/应变多场耦合模型,研究轮毂轴承外圈在淬火过程中的温度场、组织场和应力/应变场的演化规律。结果表明:轮毂轴承外圈上不同部位的温度变化有着明显差异,表面冷却速度最快,心部冷却速度最慢,心部与表面的最大温差达280℃;淬火后外圈的最大残余应力主要分布在外壁中部和滚道处;淬火后外圈马氏体的分布较为均匀,含量为92.7%,心部与表面硬度一致;淬火过程使轮毂轴承外圈的内外径均略有膨胀,外圈外壁中部膨胀量比两端部大。