（固体力学专业论文）电子封装钎料合金耦合损伤时相关多轴本构模型及疲劳失效模型研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 在电子封装过程中以及服役条件下，各种材料间的热不匹配常常使钎焊点 受到很大的非弹性应变及蠕变应变，这使得钎焊点成为整个电子部件中最薄 弱的一环，一旦某个钎焊点失效，就可能导致整个元件不能正常工作。钎焊 点失效的主要形式为热机械疲劳与断裂破坏，由于焊点服役条件的复杂性， 其变形行为和应力响应也十分复杂。目前对钎焊点非比例循环变形和破坏的 研究已成为电子封装焊点可靠性和耐久性研究的主要难点和热点之一。近年 来，很多学者对钎料的单轴循环变形和疲劳失效行为进行了大量的实验研究， 但对钎焊点在多轴非比例加载下的循环变形行为及疲劳失效行为研究相对较 少；对于低周疲劳寿命的估算多数还是采用经典的疲劳模型，这些模型还不 能解释钎料属性在不断加载过程中的衰坏现象；基于损伤力学概念的本构模 型和疲劳失效模型研究大多集中于单轴加载情形。此外，随着计算机技术的 迅速发展，可采用很多有限元软件( 如a b a q u s 、a n s y s 等) 对工程构件 的循环变形行为和疲劳行为进行模拟，然而有限元软件本身所采用的经典本 构模型对某些材料在复杂加载条件下的循环变形行为模拟相对来讲不够准 确，因此有必要将新发展的理论模型进行数值实现并移植到现有的有限元软 件中，进而对一些工程结构的循环变形行为和疲劳失效行为进行较准确的数 值模拟，这可以促进先进理论模型在结构分析和寿命评估中的应用，具有较 高的工程应用价值。鉴于此，开展电子封装钎焊材料在多轴复杂加载下时相 关循环变形行为及疲劳失效行为的实验研究，发展耦合损伤的时相关多轴本 构模型及疲劳失效模型并实现其有限元移植，不但为电子封装技术的进一步 发展提供重要的理论依据，而且为理论模型在工程分析和设计中的应用奠定 了基础。 本文对6 3 s n 3 7 p b 钎料合金开展了如下工作： 1 在室温条件下，对6 3 s n 3 7 p b 钎料合金在单轴和多轴应变加载下的循 环变形行为及低周疲劳失效行为进行系统的实验研究。通过对实验数据的分 析，得到了钎料在不同应变率、保持时间、加载波形、应变幅值以及不同非 比例应变路径及其加载历史下的循环变形行为及低周疲劳失效行为的基本特 性，为相关理论模型的建立奠定了基础。此外，还进行了简单结构件试样的 低周疲劳实验，以便用于验证本文所提出的耦合损伤的时相关多轴理论模型 第| i 页西南交通大学博士研究生学位论文 用于钎料合金结构分析的工程适用性。 2 基于实验研究结果，在不可逆热力学和连续介质力学框架下，以s a n d i a 本构模型及y a n g 粘塑性本构模型为基础，通过定义损伤演化方程，并在流动 准则中引入损伤变量，在随动硬化演化方程中引入静力恢复项和非比例度， 发展了用于非比例加载下的耦合损伤的时相关多轴本构模型及疲劳失效模 型。与模型相匹配，采用了一套较简单合理的方法确定模型参数。模型的模 拟结果与实验结果比较表明，发展的理论模型能够较好地描述6 3 s n 3 7 p b 钎 料合金在单轴及多轴加载下的循环变形行为和疲劳失效行为，并能较准确地 预测材料的低周疲劳寿命。 3 对新发展的本构模型及疲劳失效模型，采用用户子程序在大型有限元 软件a b a q u s 中进行了有限元移植。通过本构方程的简化和离散、隐式应力 积分更新内变量，推导出用于整体迭代所需的一致切线刚度矩阵。采用移植 后的a b a q u s 对材料在不同加载路径下的循环变形行为进行了有限元分析， 验证了有限元移植的合理性。 4 用发展的理论模型对钎料结构件试样在多种非比例循环路径下的低 周疲劳行为进行了有限元模拟，与实验结果比较表明：理论模型不但能较好 地预言钎料结构试样的载荷响应及载荷随循环周次的不断衰减，还能较好地 预测其低周疲劳寿命。同时也表明：所发展的耦合损伤的时相关多轴理论模 型不仅能较准确地模拟钎料合金材料试样的循环变形行为和低周疲劳失效行 为，而且也能较好地预言钎料结构件试样在非比例加载路径下的循环变形行 为和低周疲劳失效行为。这为本理论模型应用于电子封装钎焊点的疲劳失效 分析、改进钎焊点可靠性分析方法奠定了基础。 关键词钎料合金；时相关；非比例加载；损伤；低周疲劳；本构模型； 失效模型；有限元移植 西南交通大学博士研究生学位论文第l ii 页 a b s t r a c t d u r i n ge l e c t r o n i cp a c k a g i n gp r o c e s s i n go ru n d e rs e r v i c ec o n d i t i o n s ，t h e r m a l m i s m a t c ha m o n gv a r i o u sm a t e r i a l so f t e nc a u s e sl a r g ei n e l a s t i cs t r a i na n dc r e e p s t r a i ni ns o l d e rj o i n t s t h es i g n i f i c a n td e f o r m a t i o nm a k e ss o l d e rj o i n t st h ew e a k e s t l i n ki nt h ee n t i r ee l e c t r o n i ca s s e m b l y t h ef a i l u r eo fas i n g l es o l d e rj o i n tc o u l d m a k ea ne n t i r ee l e c t r o n i ca s s e m b l yi n o p e r a b l e t h em a j o rf a i l u r ef o r mo fs o l d e r j o i n t si st h e r m a lf a t i g u ea n df r a c t u r ed a m a g e ，a n dt h ed e f o r m m i o nb e h a v i o ra n d r e s p o n s eo fs t r e s si sv e r yc o m p l e xd u et ot h ec o m p l i c a t e ds e r v i c ec o n d i t i o n so f s o l d e rj o i n t a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h en o n p r o p o r t i o n a lc y c l i cd e f o r m a t i o na n d f a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o rh a sb e e no n eo ft h ek e yi s s u e sf o rt h er e l i a b i l i t ya n d d u r a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t s i nr e c e n ty e a r s ，m a n yr e s e a r c h e r sh a v em a d eal o to f e x p e r i m e n t a l s t u d i e so nt h eu n i a x i a lc y c l i cd e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r e b e h a v i o rf o rs o l d e r h o w e v e r , t h ei n v e s t i g a t i o n so nt h ec y c l i cd e f o r m a t i o na n d f a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ru n d e rm u l t i a x i a ln o n p r o p o r t i o n a ll o a d i n ga r er e l a t i v e l y f e w e r m o s to ft h ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o nm e t h o d sw e r es t i l lb a s e do nt h ec l a s s i c a l f a t i g u em o d e l sa n dt h e s em o d e l sc a n n o ta c c o u n tf o rt h ed e g r a d a t i o no fs o l d e r m a t e r i a lp r o p e r t i e s u p o np r o g r e s s i v el o a da p p l i c a t i o n s t h e s t u d i e so nt h e c o n s t i t u t i v em o d e l sa n df a t i g u ef a i l u r em o d e l sb a s e do nt h ec o n c e p to fd a m a g e m e c h a n i c sm o s t l yf o c u s e do nt h ed e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ru n d e r u n i a x i a ll o a d i n g m o r e o v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e c y c l i c d e f o r m a t i o na n df a t i g u eb e h a v i o r o fe n g i n e e r i n gc o m p o n e n t sc a nb e s i m u l a t e d b yu s i n g f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m s ( a b a q u s ，a n s y se t c ) u n f o r t u n a t e l y , t h ec l a s s i c a l c o n s t i t u t i v em o d e l si n e x i s t i n gp r o g r a m s c a n n o t r e l a t i v e l ya c c u r a t e l yd e s c r i b et h ec y c l i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o ru n d e rc o m p l i c a t e d l o a d i n gf o rs o m em a t e r i a l s s oi ti sn e c e s s a r yt oi m p l e m e n tt h en e wt h e o r e t i c a l m o d e l si n t of i n i t ee l e m e n tp r o g r a m sa n da p p l yt h e s em o d e l st os i m u l a t et h ec y c l i c d e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ro fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa c c u r a t e l y t h i s w i l lp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no ft h ea d v a n c e dt h e o r e t i c a lm o d e l si ns t r u c t u r a l a n a l y s i sa n dl i f ee v a l u a t i o n ，a n dh a sg r e a te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e t h e r e f o r e ， i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h et i m e d e p e n d e n tc y c l i c d e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ro fs o l d e ra l l o y , a n dt h e nt od e v e l o p 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 d a m a g e - c o u p l e dt i m e - - d e p e n d e n tm u l t i a x i a lc o n s t i t u t i v em o d e la n df a t i g u ef a i l u r e m o d e l ，f i n a l l yt oi m p l e m e n tt h et h e o r e t i c a lm o d e li n t ot h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h es t u d yn o to n l yp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i s ，b u ta l s oe s t a b l i s h e s f o u n d a t i o nf o rt h e o r e t i c a lm o d e la p p l i e di ne n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n dd e s i g n t h ef o l l o w i n gs t u d i e so ns o l d e ra l l o y6 3s n 一37 p bw e r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ： 1 as y s t e m i ce x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc a r r i e do u to nt h ec y c l i cd e f o r m a t i o n b e h a v i o ra n dl o wc y c l ef a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ro fs o l d e ra l l o y6 3s n 一37 p bu n d e r u n i a x i a la n dm u l t i a x i a ls t r a i n l o a d i n g t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so fc y c l i c d e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ru n d e rd i f f e r e n ts t r a i nr a t e ，d w e l lt i m e ， l o a d i n gs h a p e ，s t r a i na m p l i t u d e ，d i f f e r e n tn o n p r o p o r t i o n a ls t r a i np a t ha n di t s l o a d i n gh i s t o r yw e r eo b t a i n e db ya n a l y z i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dt h i s e s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nf o rt h ep r o p o s i n go ft h e o r e t i c a lm o d e l f u r t h e r m o r e ，t h e l o wc y c l ef a t i g u et e s tw a sc a r r i e do u to ns i m p l es t r u c t u r a ls p e c i m e n ，s ot h a tt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a b i l i t y o ft h e d a m a g e - c o u p l e dt i m e - d e p e n d e n t m u l t i a x i a l t h e o r e t i c a lm o d e lu s e di nt h es t r u c t u r ea n a l y z i n go fs o l d e ra l l o yc a nb ev a l i d a t e d 2 b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a ls t u d y , i n t h ef r a m e w o r ko fi r r e v e r s i b l e t h e r m a l d y n a m i c s a n dc o n t i n u u m m e c h a n i c s ， an e w d a m a g e c o u p l e d t i m e d e p e n d e n tm u l t i a x i a lc o n s t i t u t i v em o d e la n df a t i g u ef a i l u r em o d e lu n d e r n o n o p r o p o r t i o n a ll o a d i n gw a sd e v e l o p e db a s e do nt h es a n d i ac o n s t i t u t i v em o d e l a n dy a n g sv i s c o p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l i nt h em o d e l ，t h ed a m a g ee v o l u t i o n e q u a t i o nw a sd e f i n e da n dd a m a g ev a r i a b l ew a si n t r u d o c e di nt h ef l o wr u l e ，t h e s t a t i cr e c o v e r yt e r ma n dn o n p r o p o r t i o n a l i t yw a si n t r o d u c e di n t ot h ee v o l u t i o n e q u a t i o n o fk i n e m a t i ch a r d e n i n g c o r r e s p o n d i n g l y ， as i m p l ea n dr e a s o n a b l e m e t h o dt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so fm o d e lw a sg i v e n t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed e v e l o p e dt h e o r e t i c a l m o d e lc a nn o to n l yd e s c r i b et h ec y c l i cd e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ro f s o l d e ra l l o y6 3 s n - 3 7 p bu n d e ru n i a x i a la n dm u l t i a x i a ll o a d i n gs a t i s f a c t o r i l y , b u t a l s oc a np r e d i c tt h el o wc y c l ef a t i g u el i f eo fm a t e r i a la c c u r a t e l y 3 t h ed e v e l o p e dc o n s t i t u t i v em o d e la n df a t i g u ef a i l u r em o d e lw a si m p l e m e n t e d i n t ot h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma b a q u sb yu s e rs u b r o u t i n eu m a t t h ei n t e r n a l v a r i a b l e sw e r eu p d a t e dt h r o u g ht h es i m p l i f i c a t i o na n dt i m ed i s c r e t i z a t i o no ft h e m o d e la n di m p l i c i ts t r e s si n t e g r a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h e nt h ec o n s i s t e n tt a n g e n t m o d u l eu s e di nt h ee q u i l i b r i u mi t e r a t i o nw a sa l s od e d u c e d t h ev a l i d a t i o no ft h e 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 i m p l e m e n t a t i o nw a sv e r i f i e dt h r o u g h t h es i m u l a t i o no fc y c l i cd e f o r m a t i o n b e h a v i o ru n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gp a t h su s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 4 t h ed e v e l o p e dt h e o r e t i c a lm o d e lw a su s e dt op r e d i c tt h el o wc y c l ef a t i g u e b e h a v i o ru n d e rv a r i o u sn o n p r o p o r t i o n a lc y c l i cl o a d i n gw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， t h ec o m p a r i s o nw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et h e o r e t i c a lm o d e lc a n n o to n l yp r e d i c tt h er e s p o n s eo fl o a d i n ga n dt h ei n c e s s a n td e g r a d a t i o no fl o a dw i t h t h ec y c l i cn u m b e rf o rs o l d e rs t r u c t u r e ，b u ta l s oc a np r e d i c tt h el o wc y c l ef a t i g u e l i f e m o r e o v e r , t h ed e v e l o p e dd a m a g e c o u p l e dt i m e - d e p e n d e n t m u l t i a x i a l t h e o r e t i c a lm o d e lc a nn o to n l ys i m u l a t et h ec y c l i cd e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r e b e h a v i o ro fm a t l 昌r i a ls p e c i m e nf o rs l o d e ra l l o y , b u ta l s oc a np r e d i c tc o m p l i c a t e d c y c l i c d e f o r m a t i o n a lb e h a v i o ra n dl o w c y c l ef a t i g u e b e h a v i o ru n d e r n o n o p r o p o r t i o n a ll o a d i n gp a t h s t h i sw o r kl a y saf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no f t h et h e o r e t i c a lm o d e li nf a t i g u ef a i l u r ea n a l y s i sa n da l s oh e l p f u lt oi m p r o v et h e a n a l y z i n gm e t h o do fr e l i a b i l i t yf o re l e c t r o n i cp a c k a g i n gs o l d e rj o i n t k e y w o r d s s o l d e ra l l o y , t i m e d e p e n d e n t ，n o n p r o p o r t i o n a ll o a d i n g ，d a m a g e ，l o w c y c l ef a t i g u e ，c o n s t i t u t i v em o d e l ，f a i l u r em o d e l ，f i n i t e e l e m e n t i m p l e m e n t a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：罗籼 日期：妇譬7 1 2 誓茎老师签名，刍久 日期： 。训 删t 触 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对6 3 s n 3 7 p b 钎料合金进行了较仝面系统的不同应变率、不同保持时间、 不同加载波形不同加载幅值及不同非比例路径下的应变循环变形与低周疲劳失 效实验，掌握了第一手试验资料，揭示了该材料的循环变形行为及疲劳失效行 为特征。( 见第2 章，2 1 、2 2 节) 2 发展了能够用于描述6 3 s n 3 7 p b 钎料合金的应变循环变形行为与低周疲 劳失效行为的耦合损伤的时相关多轴本构模型和疲劳失效模型，该模型将本构 模型和疲劳失效模型有机地结合成为一个统一的理论模型。由于提出的理论模 型耦合了损伤，全面考虑了应变率效应、保持时间效应、加载波形效应、应变 幅值效应以及非比例路径效应等，因而可以较好地表征钎料合金的循环变形行 为和疲劳失效行为，并可以较准确地预测材料的低周疲劳寿命。( 见第3 章， 3 1 3 4 节1 3 实现了理论模型的有限元移植。采用隐式积分算法，对所发展简化理论 模型求解了用于迭代更新现时所需的各个内变量，推导出了用于整体迭代的一 致切线刚度矩阵，自行编制了用户子程序将理论模型移植到a b a q u s 中。通过 与材料试样实验结果的比较验证了理论模型移植的有效性。( 见第4 章，4 1 4 5 节) 4 将发展的耦合损伤的时相关多轴理论模型用于钎料简单结构件试样的低 周疲劳失效行为的有限元模拟，检验了该理论模型的工程适用性。( 见第4 章， 4 6 节) 学位论文作者签名：罗括 日 期：瑚岁7 1 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 现代微电子工业的发展要求电子集成电路芯片越来越小型化，这使得 s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 微电子封装技术得到了广泛应用，相应的电 子封装技术中的钎焊点尺寸越来越小。在微电子封装工艺以及服役条件下各 种材料间的热不匹配常常使钎焊点受到很大的非弹性应变和蠕变应变，这使 得钎焊点在整个电子部件中成为最薄弱的一环。一旦某一钎焊点失效，就可 能导致整个元件不能正常工作。而钎焊点失效的主要形式为热机械疲劳与断 裂破坏。由于钎焊点受到循环复杂加载和温度环境的作用，其变形和应力响 应十分复杂，一般用经典的以单轴加载实验为基础推广到多轴加载的材料变 形与破坏模型难以较精确地描述钎焊点在非比例循环加载和温度历程下的真 实响应特性，目前对钎料与钎焊点非比例循环变形和破坏的研究已成为电子 封装焊点可靠性和耐久性研究的主要难点和热点之一。 近年来，在国际上钎焊点疲劳研究主要集中于钎料合金的单轴加载情形， 只有极少数论文涉及到钎料合金多轴疲劳问题，国内在这方面研究则更少； 国际上对钎料合金的理论模型的研究主要集中在室温及高温下的蠕变模型研 究，且在模型中引入损伤的研究也较少，国内在这方面的也尚处于起步阶段。 此外，随着计算机技术的迅速发展，现在已经可以采用有限元软件对各种工 程构件的变形行为进行模拟和预测，然而，现有的一些大型有限元程序( 如 a b a q u s 、a n s y s 、m a r c 等) 中所采用的循环本构模型( 如经典非线性随 动硬化模型、a r m s t r o n g f r e d e r i c 模型及c h a b o c h e 模型等) 都是一些比较经典 的本构模型，对于材料在复杂加载下的循环变形行为模拟不够精确，同时将 新的理论模型移植入有限元软件中并用于有限元实现的相关报道较少见。因 此有必要将新发展的理论模型进行数值实现，并将其移植到现有的有限元软 件中，进而对一些工程结构的循环变形行为进行准确的数值模拟。这可以促 进先进模型在结构分析和寿命评估中的应用，具有较高的工程应用价值。 鉴于此，开展电子封装中钎焊点材料在多轴复杂加载下时相关变形及疲 劳行为的研究，发展钎料耦合损伤的时相关多轴本构模型与疲劳失效模型， 实现其有限元移植并用于钎料结构试样低周疲劳失效行为模拟及寿命预测， 不但为电子封装技术的进一步发展提供重要的理论依据，而且为理论模型在 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 工程中的应用奠定了基础。 1 2 钎料合金循环变形与疲劳的实验研究及理论模型研究现 状 由于钎料合金作为钎焊接头材料在微电子封装工业中得到了广泛应用， 而焊点失效是电子封装结构失效最主要原因之一，于是世界各国对钎料合金 的热- * j l 械疲劳进行了广泛深入的研究，并对焊点的可靠性、耐久性进行了 研究。目前，国内外很多学者针对钎料合金的研究主要包含以下几个方面。 1 2 1 钎料合金的循环变形行为与疲劳失效行为实验研究 钎料的熔点温度很低，室温即对应于高归一化温度( t t m o 5 ) ，故钎料 合金的循环变形行为及疲劳失效行为具有强烈的时相关性。近年来，国内外 一些学者针对各种钎料合金的循环变形行为及疲劳失效行为进行了大量的实 验研究。 r e n 1 1 、s t e p h e n s 2 1 、s h i t 3 1 、m a s a z u m ia m a g a i 4 1 、w e i 5 1 、( u os h o h j i t 6 1 、 杨显烈卜1 0 j ，z h u 1 1 1 2 j 等对6 0 s n 4 0 p b 、6 3 s n 3 7 p b 及9 6 5 s n 3 5 a g 等钎料合 金在多种温度下进行了不同应变率、不同保持时间下的循环变形行为的一系 列实验研究；v i l l a i n f l3 1 、w i e s e 14 1 、k e r r 15 1 、l i u 1 6 3 等在常温及高温下对s n a g 、 s n a g c u 及8 0 a u 2 0 s n 等钎料合金进行了蠕变实验研究；m a h m u d i 1 7 1 圳等对 s n 5 s b 实施了刻痕、压痕、应力松弛和传统蠕变实验；i k u os h o h j i t6 | 、z h u 【1 1 | 、 x i a o 2 0 j 对s n a g 、s n 9 9 3 c u 0 7 ( n i ) 和s n 3 9 a 9 0 6 c u 几种钎料合金的拉伸性能 进行了实验研究；d i n g 2 l 】和x i a o ( 1 9 】考察了时效对6 3 s n 3 7 p b 和s n 3 9 a 9 0 6 c u 两种钎料合金的微结构及拉伸性能的影响；陈旭等【2 2 ，2 3 】对6 3 s n 3 7 p b 进行了有 应力率及加载历史下的单轴棘轮行为实验研究以及对钎料合金实心圆棒进行 了多轴应变加载下的循环变形行为实验研究。从现有的研究成果中可以发现： ( 1 ) 钎料合金的循环变形行为具有明显的应变率敏感性和保持时间效应等， 同时温度对其变形行为的影响非常显著。( 2 ) 在低应力水平下，钎料的蠕变 变形具有典型的蠕变阶段，随着应力水平的提高，稳态蠕变阶段将会变得很 短并随之发生蠕变失效。( 3 ) 钎料的拉伸强度与加载应变率及温度密切相关， 随着应变率的降低和温度的升高，拉伸强度会降低；一些无铅焊料的延性会 在某一应变率或某一温度范围内保持稳定，尽管一些锡铅焊料没有这样的性 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 质。( 4 ) 钎料的时效效应会对其微观结构产生影响，如会增大晶粒尺寸、扩 大边界区域面积或析出金属化合物粒子等。( 5 ) 对6 3 s n 3 7 p b 的单轴棘轮实验 研究可知：棘轮应变率随循环周次的增加而衰减；钎料的棘轮行为强烈依赖 于应力幅值和平均应力，当应力幅或平均应力增大时，棘轮应变率明显增大； 钎料的先前加载历史对后继棘轮行为有明显的影响。( 6 ) 钎料在多轴非比例 加载下的循环变形行为与非比例路径强烈相关。 随着对钎料循环变形行为研究的深入，越来越多的学者也对钎料的疲劳 失效行为进行了实验研究。早在上个世纪七、八十年代，w i l d 2 4 】和s o l o m o n 2 5 】 就对钎料合金及钎焊接头的疲劳行为进行了实验研究。近十年来，大量关 于钎料合金的低周疲劳实验相继展开。l a w s o n 2 6 j 分析了钎料合金的热机械疲 劳行为；l i a n g 2 7 在4 种高温下对钎料进行了疲劳和蠕变行为的研究；p a n g 2 8 j 对钎焊接头在不同温度和不同应变率下的疲劳特性进行了研究；g o s w a m i 2 9 3 2 , 3 3 j 对钎料在低周疲劳下的保持效应、温度效应及损伤机制进行了实验研究； w e i 和c h o w 3 0 j 研究了6 3 s n 3 7 p b 钎料合金的损伤累积效应；s h i 3 1 等人考察 了共熔钎料合金温度及频率对低周疲劳行为的影响；k a n c h a n o m a i 【3 8 】对 s n p b 和9 6 5 s n 3 5 a g 钎料合金进行了不同温度、不同加载频率下的低周疲劳 实验；p a n g 3 9 对无铅焊料9 9 3 s n 0 7 c u 进行了低周疲劳实验研究；c o r t e z 4 0 j 对6 3 s n 3 7 p b 钎料合金进行了一系列单轴拉一拉、纯扭转及多轴拉一扭组合疲 劳失效研究；s a k a n e 【4 1 | 、y a m a m o t o 4 3 j 等在不同温度下对6 3 s n 3 7 p b 钎料进行 了多轴拉一扭组合蠕变疲劳实验；y a m a m o t o 【4 2 】、c h e n 4 4 ，4 5 j 对钎料进行了多种 拉一扭组合加载下的多轴低周疲劳实验。他们的研究表明：钎料合金的低周 疲劳失效行为受到应变率、保持时间和温度的影响。 由于钎料合金特殊的力学性能材质软、韧性好，目前对其裂纹扩展 的实验研究相对较少。国际上仅有l i a w 4 6 1 、l e e 4 7 1 、z h a o 4 8 5 0 1 和k a n c h a n o m a i 5 1 】 等人对s n p b 和s n a g 钎料合金在不同频率、不同应力比下进行了疲劳裂纹 扩展实验研究。从研究结果可知：随着应力比的增加和加载频率的降低，疲 劳裂纹的扩展从依赖于循环变成依赖于时间，同时失效行为由穿晶破坏变为 沿晶破坏。 上述实验研究揭示了不同钎料合金在复杂加载下的循环变形特性及疲劳 特性，为本构模型及疲劳失效模型的建立奠定了坚实的基础，然而现有的实 验研究仍有一定的不足，主要是不够系统和深入，现有的研究大多针对钎料 在单轴加载下的变形与破坏，对于钎料在多轴加载下的循环变形行为和疲劳 失效行为尤其是考虑应变率效应、保持时间效应、非比例路径效应等的研究 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 相对较少。因此，要想更精确地描述钎料在多轴加载下的循环变形行为和疲 劳失效行为，还需大量的实验研究。 随着现代电子工业的发展和表面封装技术的进步，对电子封装钎焊接头 ( 主要由焊点和基体组成) 的可靠性研究也正成为热点和难点。国外，w i e s e 5 2 ， 5 3 】对钎焊接头的时相关弹一塑性行为和蠕变、热时效等进行了实验研究； c h a i l d r a k a n t 【5 4 55 】利用热机械数字图像相关设备对锡铅焊料接头试样进行了典 型的力学行为试验，并用统一d s c 模型对其进行本构模拟；w a n g 5 6 、b a s a r a n 【5 7 5 8 】对疲劳加载下微电子封装钎焊接头的损伤机制进行了实验研究，并对倒装 钎焊接头在高电流密度下的失效模式进行了研究；g u v e n 【5 、l a u 6 0 j 、m a s a y u k i k i t a j i m a 6 1 】等对微电子封装钎焊接头的可靠性进行了分析，并应用能量方法对 疲劳寿命进行了预测；w a n g t 6 2 】等应用子模型方法对钎焊接头的热疲劳寿命进 行了预测并与整体模型的分析方法进行了比较；l e e 6 3 】等对钎焊接头热机械疲 劳中加热率对损伤率和损伤累积的影响及由此导致的力学行为的变化进行了 实验研究。国内，目前徐步陆6 4 1 、陈志刚 6 5 1 、王考6 们、李晓延 6 7 t6 引、许杨剑 【6 叫等对对不同钎料合金的微电子封装可靠性用焊点形态寿命预测等进行了一 些研究。然而，对于钎焊接头的可靠性研究都要以焊点材料的循环变形行为 及疲劳失效行为研究为基础。 1 2 2 钎料合金循环本构模型的研究 在广泛的实验研究基础上，国内外众多学者开展了钎料合金循环本构模型 研究，近年来，钎料本构模型研究已从传统的蠕变律和时无关塑性向统一粘 塑性本构框架下发展。 b u s s o 7 0 j 提出的粘塑性模型解释了钎料变形所需的热激活能对应力的依 赖性以及应变硬化的b a u s c h i n g e r 效应，该模型的塑性流动中考虑了随动硬化， 但是忽略了各向同性硬化和静力恢复项。 m c d o w e l l 7 1 1 等人用蠕变一塑性迭加本构模型描述了钎料对温度和应变 率的依赖性。 s k i p o r 7 2 j 、马鑫【7 3 】等人采用b o d n e r p a r t o m 统一蠕变一塑性模型对s n p b 钎料合金的不同温度、不同应变率下的单调拉伸行为和不同温度、不同载荷 下的蠕变行为进行了模拟。数值模拟结果与实验值尚存在一定的偏差，原因 是b o d n e r - p a r t o m 方程