电-热-力耦合载荷下非均匀组织Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点拉伸力学性能研究

电子封装微焊点往往在电、热、力等多种载荷共同作用下服役,且具有鲜明的组织不均匀特征.研究电-热-力耦合载荷下电流密度和温度对电子封装组织不均匀线型Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点拉伸力学性能及其尺寸效应的影响.结果 表明,较低温度和较低电流密度情况下,随焊点高度降低,Cu基底对钎料的力学约束增强,焊点拉伸强度提高,断裂...     

无铅微互连焊点力学行为尺寸效应的试验及数值模拟

采用高精度微拉伸试验和有限元数值模拟方法研究不同微尺度的Sn-Ag-Cu无铅钎料模拟互连焊点力学行为和性能演变的尺寸效应。结果表明,当焊点高度恒定(225μm)而焊点直径逐渐减小(475～200μm)时,拉伸断裂强度显著提高且远高于体钎料的抗拉强度,断裂应变也逐渐增加;焊点的断裂位置及模式由较大直径时的界面低延性断裂转变为小直径时焊点中间部位的大变形颈缩断裂。模拟结果表明,由于焊点内力学拘束水平的不同,小直径焊点的界面应力较低且最大应力分布在焊点中间部分,易导致断裂发生在焊点中部,接头强度应较高;而大直径焊点中最大应力处于焊点界面,易导致界面金属间化合物层在较低外加应力下起裂,焊点断裂强度应较低。     

应力波载荷作用下CFRP、GFRP层板动态拉伸性能的实验研究

介绍了Hopkinson杆冲击拉伸实验设备以及实验技术,推导了应力、应变的计算公式。利用Hopkinson杆加载装置对CFRP、GFRP层合板进行了冲击拉伸实验研究,得到不同应变率下CFRP、GFRP层板的应力、应变(бε)曲线,以及断裂强度、拉伸模量、断裂应变等力学参数,以期对复合材料层板在冲击拉伸情况下动态力学行为和变形、破坏机理有一个初步的认识。     

3D-C/SiC复合材料的高温拉伸性能

研究了 3D C/SiC复合材料从室温到 15 0 0℃真空条件的拉伸性能。试验材料用T30 0碳纤维编织为三维四向编织体 ,编织角为 2 2° ,用CVI法在 95 0℃～ 10 0 0℃沉积热解碳界面层、SiC基体。最终得到纤维体积分数约为4 0vol%、热解碳界面层厚度约 0 .2 μm和空隙率为 17vol%的复合材料 ,表面SiC涂层厚度为 5 0 μm。试验在超高温拉伸试验机上进行 ,真空度为 10 -3 Pa ,夹头位移速率为 0 .5 95mm/min。结果表明 ,拉伸应力 应变曲线是非线性的 ,大部分拉伸曲线基本由三段折线组成 ,对应着三段模量。第一阶段的模量和基体裂纹饱和应力对应的应变εsa 基本不随温度的升高而改变 ;第二和第三阶段的模量、损伤开始应力σmc、基体裂纹饱和应力σsa、断裂应力σf 和损伤开始应变εmc随温度有相似的变化规律 ,即随温度升高而增加 ,在 110 0℃ ～ 130 0℃范围内出现最大值 ,尔后随温度增加而下降 ;但是断裂应变的变化规律正好与此相反。试样机械加工后 ,由于残余应力部分得到松弛 ,并去除了表面SiC涂层开裂后引起的应力集中 ,因此材料断裂强度和断裂应变明显升高。高温和室温的拉伸断裂应变小于0 .6 % ,不能有效地松弛材料切口处的应力集中。测量了拉伸过程中试样的电阻相对变化率 ,它与载荷的关系曲线总的走势与拉     

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。     

Bi和Ni元素对Cu/SAC/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响

借助纳米压痕试验方法,对Cu/SAC305/Cu,Cu/SAC0705/Cu和Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料在不同最大载荷下的压入蠕变性能进行比较,并分析和讨论Bi、Ni元素的添加对低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响。试验采用一次加载-卸载方式,加载时最大载荷分别为20mN、30mN、40mN和50mN,保载时间均为180s。采用FEISIRION扫描电子显微镜对微焊点体钎料在不同最大载荷下的压痕形貌进行观察。结果表明:在相同最大载荷和保载时间条件下,3种微焊点中Cu/SAC0705BiNi/Cu的蠕变深度和压痕尺寸均小于Cu/SAC305/Cu和Cu/SAC0705/Cu。在4种不同最大载荷下,与Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料相比,Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料的压入蠕变率分别降低了11.883%、16.059%、8.8157%和12.891%。Bi、Ni元素的添加,使Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的蠕变应力指数提高了32.175%,有效提高了低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的抗蠕变性能。     

低应力三轴度下孔洞行为的有限元研究

基于有限元计算研究了低应力三轴度下,三维孔洞体胞模型的应力应变分布规律和变化趋势,分析了孔洞和基体体积的变化规律,指出用孔洞体积分数表征材料损伤的理论在低应力三轴度下的应用存在局限性。引入断裂应变作为单元失效判据,通过比较单轴拉伸试验和模拟结果,验证了其在材料失效模拟中的可靠性。最后将断裂应变应用到有限元模拟中获得不同应力三轴度下基体失效时的临界等效塑性应变,以临界等效塑性应变为表征参量研究孔洞变形规律和材料的失效行为。     

三向应力度对船用钢三明治板激光焊焊接接头等效断裂应变的影响

为使船用钢CCS-B三明治板激光焊焊接接头在拉伸初期处于不同应力状态,设计了不同尺寸及缺口半径的试样,分别在平面应变、平面应力状态下获得不同的初始三向应力度,进而获得不同应力状态下的力学性能。试验结果表明：在进行拉伸试验时,试样无论是处于平面应力状态下还是平面应变状态下,随着初始三向应力度的减小,等效断裂应变增大,塑性变好;三向应力度与等效断裂应变之间均满足指数关系,即等效断裂应变随着三向应力度的增加呈现指数减小;断口形貌均为韧窝的韧性断裂形貌。     

基于Ayada损伤模型的板料冲裁过程数值模拟

使用DEFORM-2D软件对AISI-1045钢的冲裁工艺过程进行弹塑性大变形有限元数值模拟,采用Ayada断裂准则,预测了材料变形过程中静水应力、等效应力和等效应变的分布以及发展趋势、冲裁最后阶段微裂纹产生发展和最终断裂,模拟结果中的材料断裂和冲裁力的变化与实验结果一致.     

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。     

超高真空下电流对铜／铝接触副静态粘着的影响

在销-般式粘着试验装置上,研究了超高真空下电流对铜/铝接触副静态粘着的影响。结果表明两金属间的粘着随着电流的增大及接触时间延长而增加,考虑因焦耳热引起的接触微峰的熔化作用。对结果进行了探讨。     

Cu颗粒增强复合钎料钎焊接头的蠕变断裂及强化机理

测定不同应力和温度下Cu颗粒增强复合钎料及基体钎料钎焊接头蠕变寿命,分析Cu颗粒增强复合钎料及其基体钎料63Sn37Pb钎焊接头蠕变断裂机理。结果表明：Cu颗粒增强复合钎料钎焊接头蠕变寿命优于基体钎料。Cu颗粒表面金属间化合物形成及Cu颗粒对富Pb层阻碍作用是复合钎料钎焊接头蠕变性能改善的主要因素。钎焊接头铜基板上一薄层富Pb相的形成是蠕变裂纹产生的根源。     

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。     

等温时效对Sn3.0Ag2.8Cu/Cu焊点界面层组织的影响

对Sn3．0Ag2．8Cu／Cu焊点等温时效后其界面组织的变化进行了SEM、OM以及EDX分析研究，并与Sn37Pb／Cu焊点进行了比较。结果表明：在焊料与铜基板界面上存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物，时效过程中Sn3．0Ag2．8Cu焊料与铜的生长速度较慢，金属间化合物的生长属于扩散控制。     

航空结构宽板铆接搭接件承载性能数值研究

为研究飞机蒙皮铆接搭接结构的力学特性,基于ANSYS软件建立宽板三排铆钉搭接件的三维有限元分析模型。考虑物面间的非线性接触、铆钉与板孔间的干涉配合、铆钉预紧力的影响,应用非线性有限元法对宽板铆接搭接件在恒定远端拉伸载荷作用下的承载性能进行计算。通过读取沿预设路径的位移分布数据,获得宽板搭接件产生的次弯曲和第三弯曲的变形趋势。从搭接板等效应力云图可以看出,靠近宽搭接板侧缘的沉头铆钉孔周围应力集中比较严重。计算每个铆钉的钉传载荷,获得宽板搭接件铆钉承载的分布规律。在调整铆钉预紧力和钉孔干涉配合量的情况下,给出三排铆钉载荷传递比的变化情况。针对宽板铆接搭接件的力学特性计算分析,可以为后续的搭接件结构多处损伤裂纹扩展和疲劳寿命研究奠定基础。     

Stress analysis of lead-free solders with under bump metallurgy in a wafer level chip scale package

The wafer level chip scale assembly (WLCSP) has increasingly become popular due to its compact, wafer scale assembly. In a WLCSP assembly, the under bump metallurgy (UBM) connecting the solder joints and the chip is crucial for the assembly reliability. This study focuses on a WLCSP with 96.5Sn3.5Ag/95.5Sn3.8Ag0.7Cu solder joints and Ti/Cu/Ni UBM on a 2–layer microvia build-up electric board. Furthermore, the Garofalo-Arrhenius creep model in finite element analysis ANSYS 6.0 is used for simulations on the WLCSP assembly under thermal cycling to investigate the deformations of the assembly with different thickness of nickel layer, the maximum equivalent strain and maximum equivalent stress of microvias/joints. Finally, the Coffin-Manson equation is applied to predict the fatigue lives of four combinations of solder joints with different eutectic alloy and thickness of nickel layer.     

铜铝异种金属板压印连接与接头拉剪载荷研究

采用一种新的塑性成形连接方法--压印连接方法来实现铜、铝合金板的连接,通过拉剪实验研究了连接接头的力学性能,并分析了铜、铝合金板的排列顺序对接头拉剪载荷的影响。实验结果表明,对于铜、铝复合接头,铜板在上时接头具有较高的拉剪载荷(3kN),是铝板在上时拉剪载荷的4.6倍。根据接头失效形式对复合接头进行优化后发现：下层铝板的厚度增大时,接头的拉剪强度略有增大,拉剪过程中的能量吸收明显增大;提高下板材料强度时,接头的拉剪载荷明显增大;铜板作为上板进行压印连接时,失效形式为颈部断裂失效,且接头的拉剪强度较大。     

Evolution of micro solder joints under electromigration and elastic field

This paper proposes a three-dimensional model for the evolution of micro and sub-micro scale flip chip solder joints. The coupled mechanisms of electromigration and the corresponding stress gradient are incorporated into a diffuse interface model. A semi-implicit Fourier spectral method and the preconditioned biconjugate-gradient method are proposed for the computation to achieve high efficiency and numerical stability. Our simulations demonstrate dynamic evolution of solder joints and breakages at the interface on the cathode side. It is also shown that the dynamically incorporated stress gradient considerably affects the evolution of solder joints counteracting the electromigration process. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Jeonghoon Yoo Dongchoul Kim received a B.S. degree in Mechanical Engineering from Yonsei University in 2000. He then went on to receive his M.S. and Ph.D. degrees from The University of Michigan in 2003 and 2005, respectively. Dr. Kim is currently an Assistant Professor at the School of Mechanical Engineering at Sogang University in Seoul, Korea. His research interests are in the area of computational analysis of micro/nanostructures.