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基于Abaqus纳米压痕仿真的材料本构行为研究

龙旭，李震

西北工业大学力学与土木建筑学院

先进电子封装材料及结构研究中心

摘要:本文以ABAQUS6.14作为分析平台，采用静力通用分析步并配合二维单元，研究了

航空、航天、国防领域电子设备中具有广泛前景的不同SiC含量烧结AgNP的力学性能。

通过对纳米压痕实验进行研究，利用有限元仿真软件来模拟材料在纳米压痕过程中的受力

情况，并结合纳米压痕实验进行反演计算获得材料的塑性性能参数，并在此基础上通过上

述两种方法给出材料完整的本构关系，并对所构建的本构关系进行唯一性验证和理论参数

具体取值的修正。最后利用三种典型的幂律材料对所提出的反演算法进行了数值分析，进

一步验证了本文所提出的反演分析算法的可行性。

关键词:纳米压痕;本构模型;烧结AgNP;反演算法;ABAQUS有限元分析。

1.介绍

纳米压痕技术是一种有效评估块体、涂层以及薄膜材料机械（力学）性能的方式，是

一种先进的微/纳米尺度力学测试技术，其压入载荷和位移图被广泛应用在研究材料的力学

性能中[1]。由压痕曲线确定的主要特征是弹性模量和硬度，也可以用来确定材料的弹性和

塑性特征[1-4]。对于弹塑性材料来说，很难找到解析关系，但是这个问题可以通过有限元

（FE）模拟解决[5,6]。许多有限元计算的结果被用来寻找P-h图特征之间的经验关系以及

材料的力学性能。研究人员[5]提出了一种估算材料屈服强度和应变硬化指数的技术，精确

到20%，前提是塑性功与弹性功之比可精确到至少96%（该技术由Giannakopoulos和

Suresh[5]开发）。J.P.Lucas等对金属间化合物Ag3Sn的力学机能以及其变形行为进行了讨

论，并给出了增强型金属间化合物颗粒的界面剪切强度。X.Deng等[7]利用纳米压痕技术给

出了（Cu,Ag）-Sn金属间化合物的弹性模量，且精准度很高，并进一步对其变形行为进行

了分析，对压痕中产生的堆积（pile-up）和沉陷（sink-in）现象进行了讨论。

由于某些有害物质（RestrictionoftheUseofCertainHazardousSubstances,RoHS）限制

了商业产品中含铅焊料的使用，近几十年来，无铅焊料已经取代了含铅焊料[8,9]。同时，

电子封装器件的小型化显著提高了功率密度。热处理成为提高特征密度技术的限制因素。

与传统锡基焊料相比，烧结银纳米颗粒（AgNP）具有优异的导电性和导热性。因此，它被

认为是工作温度超过250℃的大功率电气设备的一种具有广泛前景无铅模具连接材料[10-

12]。为了进一步提高AgNP的导电性，合成了一些新型的AgNP基材料，如AgNP颗粒修

饰的氧化石墨烯[13]。将颗粒尺寸减小到纳米级将显著增加Ag颗粒的表面能，并降低

AgNP焊料的熔化和烧结温度[14]。因此，烧结温度可以与工作温度不同，这使得制造一种

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可以在低温下烧结并在高温下工作的模具连接材料成为可能，进而可以满足大功率电气设

备的封装要求。此外，SiC颗粒的加入将提高Sn-Ag-Cu焊料合金的机械强度，这是由于小

增强颗粒提供了更多的成核位点，形成自发的分散系统进而阻止位错滑移[15]，并通过抑

制热循环过程中的粘结失效来提高烧结纳米银的高温可靠性[16]。

故而探究烧结纳米银的力学性能显得尤为重要。然而值得注意的是，尽管有材料数据

库，但是烧结纳米银等先进封装材料的本构关系仍然不确定或分散[17]，更重要的是，有

限元预测的准确性在很大程度上取决于材料本构特性的可靠性[18]。然而，尽管试样表面

经过仔细的研磨和抛光，烧结纳米银的微观结构本质上是多孔的[18]。因此，烧结纳米银

的受压面不是镜面状的，粗糙度将导致到目前为止可用的有限元分析和解析方案的初始加

载阶段无效。

为了评估机械可靠性，必须准确描述烧结纳米银的本构行为。单轴拉伸试样是获得拉

伸应力-应变关系最常用的方法之一，它与焊点的面积和厚度无关。尽管如此，与典型的焊

料合金不同，烧结纳米银材料的单轴拉伸试样