热循环加载条件下SMT焊点应力应变过程的有限元分析.docx

热循环加载条件下SMT焊点应力应变过程的有限元分析哈尔滨工业大学黄大巍方洪渊钱乙余(150001)摘要SMT焊点在热循环条件下的应力应变过程分析是SMT焊点可靠性研究的重要方向。本文采用粘弹塑性材料模式描述SnPb钎料的力学本构响应,对非城堡型LCCC焊点结构进行三维有限元分析,考察焊点在热循环加载过程中的应力应变等力学行为。研究结果表明,焊点钎料内的高应力发生在热循环的低温阶段,升降温过程中的蠕变和非弹性应变的累积显著,蠕变应变在非弹性应变中占主导地位,应力应变滞后环在热循环的最初几个周期内就能很快稳定,采用与有限元分析模型相似的焊点热循环试验的结果表明,有限元的高应力应变区域与实际焊点的裂纹起裂位置和扩展路径相吻合。关键词SMT焊点热循环蠕变有限元分析FEMAnalysisofStress/StrainProcessinSMTSolderJointUnderThermalCycleHuangDaweiFangHongyuanQianYiyu(HarbinInstituteofTechnology)FEManalysisofstress/strainprocessinSMTsolderjointun2Abstractderthermalcycleisoneoftheimportantaspectsintheresearchfieldofsolderedjointsreliability.Inthispaper,visco-elastic-plasticconstitutivemodelwasde2scribedforthebehaviorofSnPbsolder,andthethreedimcnsionalsolderedjointsstructurcfornon-castletypedLCCCwasanalyzedwhthfiniteelenentmethodtoinvestigatethemechanicalbehaviorsuchasstress/strainprocessunderther2malcycle.Theresultsshowthemaximumstresstookplaceatlowesttempera2tureandhardlydecreasedwithtemperatureramp,theaccumulatedcreepandin2elasticstrainincreaseddistinctlywithtemperaturerampanddown,thecreepstraindominatedtheinelasticstrain,thestress/strainhysteresisloopwasstabi2lizedquicklybyfirstseveralthermalcycles.Theresultsofexperimentaltest,inwhichthespecimenwassimilartotheFEMmodel,showedthatthesitewithmaximumstress/stramagreedwiththecrackinitiationandpropagationpathofsolderedjointsinexperiments.KeywordsSMTSolderedjointsThermalcycleCreepstrainFEM前言角六面体,并忽略基板焊盘、芯片的金属化层的影响,在相当高的精度内模拟LCCC非城堡型焊点结构,该模型有329个节点,356个单元,根据对称面和约束条件,FEM分析时的边界条件可描述为:ux=0u2=0SMT焊点的可靠性是SMT推广应用的关键,特别是在航天和军用等高可靠性技术领域。SMT焊点的可靠性问题是指焊点在热循环或功率循环中由于陶瓷芯片载体和基板间的热膨胀失配而导致的蠕变疲劳e失效。就SMT焊曝点而言,有引线元件的焊点在热循环过程中由于柔性引线能有效地减轻焊点钎料内的应力应变,可靠性问题不很严重,但对无引线片式元件如无引线陶瓷芯片载体(LCCC)片式电阻电容(LCR、LCC)在热循环过程中要经受高得多的应力应变,可靠性问题要严重得多,SMT焊点的蠕变疲劳寿命预测和失效机制分析需要了解焊点在热循环条件下的应力应变过程,可以通过试验研究和理论计算两种途径来完成,试验研究需要高精度的测试设备和制作特定的试样,实现困难。FEM分析是评价焊点可靠性和理论研究的有效方法。目前,对SMT焊点在热循环条件下应力应变过程的FEM分析有许多文献报导,但是大多数研究工作局限在以下两个方面:11采用线弹性或弹塑性材料模式描述SnPb钎料的力学本构响应;研究表明1,由于SnPb钎料的熔点较低,在服役条件下其工作温度可达到其熔点的015～018(K)倍,在这样相对较高的温度