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。     

封装热效应及粘结层对微芯片应力和应变的影响

针对不同的基板和粘结层,运用COMSOL Multiphysics软件分析了由封装引起的热失配对MEMS芯片的内部应力和应变的影响及其影响规律。分析不同基板对SiC芯片的应力和应变的影响,通过有限元计算分析得知,当基板的热膨胀系数跟芯片的热膨胀系数越接近,封装对芯片导致的应力应变和位移的影响越小。研究表明:粘结层的厚度对SiC芯片的应力等参数同样存在一定的影响,当粘结层的厚度增加时能够降低SiC芯片由封装引起的热应力,同时也会降低SiC芯片的第一主应变。基板厚度增加会增加SiC芯片由封装引起的热应力,温度场由高到低会增加SiC芯片由封装引起的热应力。     

残余应力对混合组装BGA热循环可靠性影响

研究混装球栅阵列(Ball grid array,BGA)回流焊后产生的残余应力对热循环寿命产生影响。根据Sn63Pb37/Sn3.0Ag0.5Cu均匀混装BGA封装实体,建立有铅和混装BGA封装体ANSYS有限元模型。通过加载不同峰值温度(220~265℃)和不同降温速度(1~6℃/s)的回流温度曲线后,得到BGA封装体焊点残余应力、应变。随后选取峰值温度243℃、降温速度3℃/s条件下的回流焊后BGA封装体模型施加热循环载荷,根据修正Coffin-Manson方程预测焊点寿命。研究结果表明:回流焊中降温速度对焊后应力占主导因素,应力降温速度的增加逐渐由27.9 MPa增加到32.5 MPa,而峰值温度对焊后应变影响明显;热循环分析中BGA焊球左上角区域始终处于高应力应变状态,均匀混装BGA寿命稍低于SnPb焊点BGA;回流焊工艺后进行热循环加载结果表明残余应力对Sn63Pb37/Sn3.0Ag0.5C均匀混装BGA寿命影响不大。     

倒装芯片封装结构中SnAgCu焊点热疲劳寿命预测方法研究

由于焊点区非协调变形导致的热疲劳失效是倒装芯片封装（包括无铅封装）结构的主要失效形式.到目前为止,仍无公认的焊点寿命和可靠性的评价方法.文中分别采用双指数和双曲正弦本构模型描述SnAgCu焊点的变形行为,通过有限元方法计算焊点累积蠕变应变和累积蠕变应变能密度,进而据此预测倒装芯片封装焊点的热疲劳寿命.通过实验验证,评价上述预测方法的可行性.结果表明,倒装芯片的寿命可由芯片角焊点的寿命表征;根据累积蠕变应变能密度预测的焊点热疲劳寿命比根据累积蠕变应变预测的焊点热疲劳寿命更接近实测数据;根据累积蠕变应变预测的热疲劳寿命比根据累积蠕变应变能密度预测的热疲劳寿命长;采用双指数本构模型时,预测的焊点热疲劳寿命也较长.     

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。     

316L不锈钢扩散焊接头高温蠕变性能

以非标准持久试样进行了316L不锈钢扩散焊接头蠕变与持久试验。采用θ函数法描述和预测了316L不锈钢扩散焊接头蠕变曲线,并由θ函数法计算了最小蠕变应变速率和接头在6MPa,550℃条件下蠕变应变达到0.2%时的使用寿命,并将蠕变应变0.2%作为以316L不锈钢为母材的扩散焊构件高温结构设计标准。由持久试验结果可知,θ函数法与Larson-Miller法外推的316L不锈钢直接扩散焊接头蠕变断裂时间较为一致。     

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。     

基于高温铅锡合金焊料低空洞率焊接研究

功率模块芯片级焊接主要使用的是高温铅锡合金焊料,便于芯片进行二次模块封装,而焊接过程中的空洞是一个关键性的问题。通过高温锡铅合金焊料引入Ag元素,针对不同Ag元素组分下锡铅银合金焊片对焊接层空洞的影响进行了深入研究。实验表明采用高温焊料Pb92.5Sn5Ag2.5,焊接层具有较低的空洞率,高达98%以上的焊透率。     

时效对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头的组织和拉伸性能的影响

研究Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头界面的微观组织在150℃时效不同时间后的演变过程,对时效不同时间的试样进行抗拉强度测定,并在扫描电镜下进行动态拉伸原位观察和拉伸断口的形貌观察.结果表明,Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头试样在焊后的界面上形成扇贝状的Cu6Sn5金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层,随着时效时间的增加,界面IMC的厚度增加,Cu6Sn5扇柱变长变粗,最后离开界面层进入焊料, 时效480 h后在焊料和Cu6Sn5界面析出Ag3Sn相.拉伸实验结果表明,焊料接头的强度在时效初期略有增加,时效48 h后强度逐渐下降;动态拉伸结果表明,时效初期断裂发生在焊料基体内部,随着时效时间的增加,断裂发生的位置逐渐向界面转移,在时效480 h后断裂完全发生在界面化合物层.     

含铋焊料的板级可靠性研究

为确认某型含铋焊料球CBGA的可靠性,并依据焊料特性制定合适的焊接工艺,文章通过对印制板焊点的检查、测试,对比了锡铅焊料、含铋焊料(Sn46Pb46Bi8)的剪切力、合金元素分布、IMC层状态,观察了老化试验前后含铋焊料焊点剪切力、合金元素分布、IMC层状态的变化。研究表明含铋焊料各方面性能与锡铅焊料相当,老化试验后焊点性能未发生严重衰减。文章最后依据Sn46Pb46Bi8焊料特性,修改了CBGA焊盘设计、优化了焊接工艺。     

立式数控机床主轴热态精度检测

利用电容式位移传感器和电阻式温度传感器对立式数控机床主轴进行高精度测量,试验获取主轴端径向和轴向热位移,以及主轴系统热敏感位置的温升。对于机械式主轴,主轴前后轴承和减速器因高速滚动摩擦发热,使得主轴的发热量很大,造成的热变形会严重影响机床的加工精度。对于结构稳定、技术成熟的数控机床,提高数控机床的热态精度最有效的措施是改进机床的主轴润滑方式或者对主轴轴承进行强制冷却。     

导热衬垫在印制板组件上的应用研究

随着电子产品集成化程度的提高,功率器件及大规模集成电路的散热问题越来越突出。在设计电子产品时,常常利用导热硅脂来帮助实现发热器件和散热板间有效的热传导,从而起到热量散放的作用。文中对所选型的数种导热衬垫与导热硅脂进行了性能对比测定,通过热阻性能试验、耐溶剂试验、三防漆涂覆试验、耐低温性能试验等试验方法对其性能进行了判定,并分析了在印制板组件上用导热衬垫代替常用的导热硅脂材料的可行性。     

基于MEMS技术的微型热导检测器的研制

文中采用MEMS技术加工研制了一种新型热导检测器,这种微型热导检测器采用电阻率高、电阻温度系数大的Pt热敏电阻,利用MEMS技术将Pt薄膜沉积在Pyrex 7740玻璃上并通过剥离技术获得热敏电阻,而气体通道以及热导池是通过深刻蚀在硅片上刻蚀得到,热导池的体积为0.4 μL.这种热导检测器具有灵敏度高,不受气流影响,不易氧化等特点,适用各种混合气体分离检测.     

货车车轮制动热疲劳数值仿真分析

热疲劳损伤是车轮的一种主要失效形式,建立了踏面制动的热-结构耦合瞬态非轴对称三维有限元模型及其相关的边界条件,模拟了拖曳制动工况和紧急制动工况的温度动态特性,对制动热负荷产生的热应力引起的热疲劳问题进行了数值模拟.     

二氧化碳探测仪的热控系统

根据二氧化碳探测仪所处的空间环境、结构特点和工作模式,采用被动热控和主动热控相结合的方法设计了它的热控系统。首先,介绍了探测仪结构及内热源,同时分析了探测仪的外热流,从而得到了热控任务难点。然后,对探测仪的各个部分进行了热设计,采用被动热控与主动热控相结合的方式进行了热隔离、热疏导和热补偿;根据探测仪所处的空间环境和采取的热控措施利用TMG软件进行了热分析。仿真分析结果表明,光学系统主体框架的温度为13.3~21.7℃,满足了设计要求。最后,通过真空条件下的热平衡试验对热设计进行了试验验证,试验结果显示光学系统主体框架的温度为13.0~20.3℃,试验值与计算值基本一致,满足热控指标要求。得到的数据表明提出的热设计方案合理可行。     

空间机电产品热设计

本文从热传递原理入手,通过分析空间环境热平衡条件,介绍了空间机电产品热设计的一些主要方法,包括被动热控技术和主动热控技术。最后以空间机器人为例介绍了该产品热设计的一些原则和方法。     

电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展

随着电子技术的迅猛发展,电子设备过热问题愈显突出。文中阐述了电子设备冷却设计的常用手段及其最新的进展情况。     

Thermal imaging of composites

Active thermal imaging techniques and their applications to composite materials are reviewed. The techniques included are transient thermography, scanning thermal microscopy and scanning thermal probe microscopy. The factors that affect the images produced by both pulsed and periodic forms of active heating are considered. For pulsed heating, experimental and numerical modelling results for carbon fibre-reinforced plastic are used to show how the resolution of subsurface features depends on their size and depth and on the anisotropy in thermal materials properties common in such composites. For periodic heating, thermal wave characteristics are introduced to show how the resolution of subsurface features also depends on modulation frequency and focal spot radius. Examples are given of the applications of scanning thermal microscopy and scanning thermal probe microscopy that illustrate the potential of these techniques for the imaging of composite materials.     

温度、热量与热变形的关系及计算方法研究

通过分析热变形与热量之间的关系 ,提出利用平均线膨胀系数 ,将较复杂温度分布 (如移动持续热源形成的温度分布 )情况下工件热变形量的计算简化为热量含量相同且温度均布状态下工件热变形量的计算方法 ,并给出了计算实例     

机床主轴热设计研究综述

机床的热态性能已成为影响高速机床工作性能的最重要的因素之一。主轴是机床的关键功能部件,其热态特性在很大程度上决定了机床的切削速度和加工精度,是影响机床精度提升的最重要因素。因此,在主轴的设计阶段减少机床热误差的影响,对于提高机床的热态特性十分重要。在过去的近一个世纪时间中,国内外众多学者针对主轴热设计方法开展了研究探索,基于热设计的过程可以分成三部分内容:热态特性分析方法,热设计与优化方法和热态特性试验方法。先通过主轴热态特性(如温度场分布、热变形、热平衡时间等)建模与分析获取必要的参数,然后以此为基础开展主轴结构设计优化、材料设计优化和冷却系统设计等热设计措施,获得较佳的主轴热态特性,最后通过热态特性试验来校验分析和设计优化的结果,整个过程循环直至达到满意结果为止。本文以此为脉络展开,分别探讨了三部分内容的国内外典型研究现状、主要研究内容和所存在的优缺点,并对未来的研究趋势进行了展望。