基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测

Anand模型采用有限元法模拟WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu-X（Ce，Fe）无铅焊点在热循环载荷条件下的应力-应变响应，借助蠕变应变疲劳寿命预测模型SnAgCu，SnAgCuCe，SnAgCuFe焊点疲劳寿命.结果表明，在服役器件整体器件出现明显的变形现象，电路板翘曲严重.从中心到拐角焊点变形-应力-应变逐渐增加，芯片下拐角焊点成为整个结构潜在的危险区域.通过计算WLCSP器件SnAgCu、SnAgCuCe和SnAgCuFe三种焊点的疲劳寿命，证实了SnAgCuCe和SnAgCuFe焊点寿命明显高于SnAgCu焊点，证明了在SnAgCu中添加一定量的铈和铁可以显著提高SnAgCu焊点的使用寿命，分析结果为新型无铅钎料的研发提供理论支撑.     

基于蠕变模型倒装芯片焊点疲劳寿命预测

采用有限元方法对倒装芯片的焊点进行数值模拟计算分析。结果表明,等效蠕变应变和等效塑性应变的最大值在芯片下的边缘焊点上表面;对焊点应力应变进行时间历程处理,在循环的开始阶段,应力松弛现象显著,同时塑性应变和蠕变应变都存在累积叠加趋势;对应力应变迟滞回线研究,发现曲线呈现周期性变化,随着温度的循环加载并趋于稳定。凭借Solomon模型和Shine and Fox模型,基于塑性应变和蠕变应变的交互作用,计算焊点的疲劳寿命,模拟结果和实际情况基本接近。     

FCBGA器件SnAgCu焊点的热冲击可靠性分析

采用有限元法和Garofalo-Arrheninus稳态本构方程,在热冲击条件下对倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）器件SnAgCu焊点的可靠性进行分析. 结果表明,Sn3.9Ag0.6Cu焊点的可靠性相对较高. 通过分析SnAgCu焊点的力学本构行为,发现焊点应力的最大值出现在焊点与芯片接触的阵列拐角处. 随着时间的推移,SnAgCu焊点的应力呈周期性变化. Sn3.9Ag0.6Cu的焊点应力和蠕变最小,Sn3.8Ag0.7Cu焊点应力和蠕变次之,Sn3.0Ag0.5Cu焊点应力和蠕变最大,与实际的FCBGA器件试验结果一致. 基于蠕变应变疲劳寿命预测方程预测三种SnAgCu焊点的疲劳寿命,发现Sn3.9Ag0.6Cu焊点的疲劳寿命比Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.8Ag0.7Cu焊点的疲劳寿命高.     

细间距器件SnAgCu焊点热疲劳性能研究

通过试验和数值模拟两种方法分析细间距器件SnAgCu焊点的热疲劳寿命。采用-55～125℃温度循环试验,发现SnAgCu焊点疲劳寿命约为1150次。基于Anand方程和Wong方程两种本构模型,针对两类疲劳寿命预测方程进行对比研究。结果显示,基于两种模型计算的SnAgCu焊点应力时间历程曲线具有相类似的趋势,但是应力值有较大差别。针对两类疲劳寿命预测方程,结合试验研究分析焊点的疲劳寿命,基于Wong方程结合双蠕变模型计算的疲劳寿命值和试验结果吻合良好,而基于Anand方程结合Engelmaier修正的Coffin-Mason方程计算的疲劳寿命略高于试验结果。     

DZ125定向凝固合金疲劳-蠕变性能与寿命预测研究

对DZ125合金分别进行了980℃的无保载（PP型）、压缩保载（PC型）、拉伸保载（CP型）和拉伸一压缩都保载（CC型）应变控制的疲劳一蠕变试验研究。试验结果表明：在980℃下,PP型载荷形式下该材料的循环应力响应行为不明显。CP型、PC型和CC型载荷形式下该材料表现出明显的循环软化现象,循环应力响应行为与应变水平有明显的相关性。在相同的总应变范围下,疲劳寿命存在NPP〉NCPP〉NPC〉NCC的关系,疲劳寿命的差别在应变水平越低时越明显。对DZ125合金疲劳一蠕变寿命预测研究发现：三参数能量方法的寿命预测结果无论是从标准差,还是分散带角度都明显比应变范围区分法的寿命预测精度大大提高。     

电子互连无铅钎料及焊点蠕变行为研究进展

针对近年来无铅钎料及焊点的蠕变失效问题,综合评述了蠕变变形行为及其在焊点可靠性评估中的应用。首先系统地介绍无铅钎料的蠕变行为,探讨含合金元素/颗粒无铅钎料蠕变性能改性机制。其次评述焊点蠕变行为,探讨焊点成分以及不同基板材料对焊点蠕变特性影响的研究进展。再次结合具体电子器件,采用有限元模拟,分析基于有限元的焊点蠕变响应及疲劳寿命预测,评估焊点可靠性。最后针对无铅钎料及焊点蠕变行为的未来发展进行展望,分析其研究中存在的问题及解决办法,为焊点可靠性进一步研究提供理论支撑。     

热循环作用下SnAgCu-CNT搭接焊点蠕变行为数值模拟

采用有限元方法分析了钎焊搭接SnAgCu-CNT焊点在125～-40℃温度循环载荷条件下的蠕变应变和应力分布.结果表明,经过4个温度循环周期后,SnAgCu-CNT搭接焊点发生了明显的剪切变形,产生了显著的上下表面相对位移.焊点的最大等效蠕变应变位于焊点与焊盘界面边缘沿长度方向上的中点处,最小蠕变应变位于焊点的中心处.有限元的计算结果与实际热循环试验的结果相一致.最大蠕变应变节点的蠕变应变和应力随时间变化的曲线呈现出明显的周期性和累积效应.     

Anand本构方程在焊点可靠性研究中的应用

焊点可靠性直接决定了电子产品的使用寿命.因此,在微电子领域,对焊点可靠性提出了更高的要求.有限元模拟技术是研究焊点可靠性的重要手段.综合评述了一种统一了蠕变和塑性变形的非线性本构方程-Anand本构模型;概述了其发展演变过程及研究现状;介绍了该本构方程中9个参数的计算规则,并进一步分析了目前国内外对于本构方程参数的确定以及进一步的改进情况.在焊点可靠性研究方面,评论了该模型在无铅QFP、BGA焊点应力-应变分析及焊点疲劳寿命预测方面的应用,为焊点可靠性的研究提供了理论指导.同时,为了更好的研究无铅焊点的可靠性,对该模型的构建及修正提出了新的需求.     

热循环条件下通孔插装焊点失效分析

通孔插装焊点是元器件与电路板接合最为常见的方式,以传统的通孔插装焊点为研究对象,按照IPC-9701标准设计热循环试验,在不同周期对焊点进行金相分析,对其失效行为及机理进行了研究,并测试了焊点的热疲劳寿命.同时采用有限元数值计算,应用基于蠕变应变的寿命模型,计算了焊点的热疲劳寿命.所得的试验结果与理论计算基本吻合.     

WLCSP30器件SnAgCuFe焊点可靠性研究（英文）

研究Sn Ag Cu Fe焊点的本构方程,采用拉伸测试拟合本构模型的9个参数。基于有限元模拟应用Anand模型分析WLCSP30器件Sn Ag Cu Fe焊点的应力-应变响应。结果表明,器件最大应力集中在拐角焊点上表面,Sn Ag Cu Fe焊点应力值明显小于Sn Ag Cu焊点。基于疲劳寿命预测模型,证实微量的Fe可以显著提高Sn Ag Cu焊点疲劳寿命,因此Sn Ag Cu Fe可以替代传统的Sn Pb应用于电子封装。     

CuCGA器件焊点热疲劳行为数值模拟

基于蠕变模型构建 Sn3.9Ag0.6Cu 和 63Sn37Pb 钎料的本构方程,分析铜柱栅阵列封装(CuCGA)器件在不同温度循环载荷下焊点的应力-应变分布.结果表明,不论温度循环如何变化,距器件中心最远处焊点的等效蠕变值总是最大,且均有明显的应力集中现象,在热循环作用下,很容易在该焊点处最先产生裂纹,导致器件失效,是整个器件最脆弱的焊点.同样温度载荷下,Sn3.9Ag0.6Cu 焊点的应力应变总是小于 63Sn37Pb 焊点,而随着温度循环范围的减小,两种钎料的应力和蠕变值均有所降低.另外,预测发现同样温度循环载荷条件下 Sn3.9Ag0.6Cu 焊点具有较高的疲劳寿命.

Abstract：

The constitutive equation of Sn3. 9Ag0.6Cu and 63Sn37Pb were established based on creep law, and the stress-strain distribution of soldered joints in copper column grid array (CuCGA)devices was analyzed under the loadings of different temperature cycles. Results indicate that no matter how the change of temperature cycle range, the maximum creep strain is located in the soldered joint where the location from the device center is foremost, in which the stress concentration is found and cracks appear, therefore, the comer soldered joint is the most fragile area in the whole device.Creep strain of Sn3.9Ag0. 6Cu soldered joints is smaller than that of 63Sn37Pb soldered joints. Low er stress and creep strain are exhibited for both Sn3.9Ag0.6Cu and 63Sn37Pb when the temperature cycles range is shortened. Sn3.9Ag0.6Cu soldered joints show higher thermal fatigue life than 63Sn37Pb soldered joints under the same temperature cycle.     

63Sn37Pb钎焊接头稳态蠕变本构方程的建立

采用高温蠕变测试装置，以简化的Dorn公式为基础．对63Sn37Pb微型单搭接钎焊接头蠕变应变进行了测试．确定了应力指数、蠕变激活能以及相关常数。建立了63Snd7Pb钎焊接头稳态蠕变本构方程，描述了稳态蠕变速率与应力和温度相关性。结果表明，钎焊接头应力指数和激活能均低于钎料本身的应力指数和激活能．说明钎料本身蠕变行为并不能完全代表钎焊接头的蠕变行为。     

SnCu钎焊接头稳态蠕变本构方程建立

以搭接面积为1 mm2微型单搭接钎焊接头为研究对象,采用新型高温蠕变测试装置,测定了Sncu钎焊接头应力指数n和蠕变激活能Q,构建了稳态蠕变本构方程,探讨了蠕变变形机制.结果表明,在低温高应力下,SnCu共晶钎料钎焊接头应力指数为8.73,激活能在59.1～63.2 kJ/mol,位错攀移运动主要受位错管道扩散机制控制;在高温低应力区,Sncu共晶钎料钎焊接头应力指数为6.45,激活能在88.4～97.5 kJ/mol,位错攀移运动主要由晶格自扩散机制控制.     

QFP组件的优化模拟及焊点热疲劳寿命的预测

采用有限元方法研究了方形扁平式封装QFP(quad flat package)组件的优化模拟及引线宽度与间距对焊点疲劳寿命的影响规律.结果表明,在QFP64组件的所有焊点中,最外侧焊点的正前面存在最大应变值,易产生裂纹,发生疲劳破坏,为组件的最脆弱部位.QFP引线间距固定时,随着引线宽度的增加,焊点等效应变值逐渐增加,焊点可靠性降低,热疲劳寿命降低;QFP引线宽度固定时,随着引线间距的增加,存在一个焊点热疲劳寿命最大值;所选取的计算模型中,当引线宽度为0.15 mm,引线间距为0.45 mm时,焊点可靠性最高,组件具有最长的疲劳寿命.     

The influence of temperature on creep behavior of Cu particle enhanced SnPb based composite soldered joints

Creep property of solder alloys is one of the important factors to affect the reliability of soldered joints in SMT(surface mount technology). Particle-enhancement is a way to improve the properties of solder alloys and has caused much more attention than before. Temperatures applied to soldered joints are one of the primary factors of affecting creep properties of particle enhancement composite soldered joints. In this paper single shear lap creep specimens with a 1 mm2 cross-sectional area were fabricated using Cu particle enhancement 63Sn37Pb based composite soldered joints and 63Sn37Pb eutectic soldered joints to examine the influence of temperature on creep behavior of soldered joints. Results indicated that the creep resistance of soldered joints of Cu particle enhancement 63Sn37Pb based composite soldered joint was generally superior to that of the conventional 63Sn37Pb soldered joint. At the same time, creep rupture life of the composite soldered joint was declined with increasing temperature and drop faster than that of the conventional 63Sn37Pb eutectic soldered joint.     

纳米Ag颗粒增强复合钎料蠕变性能的研究

制备纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料.研究不同温度载荷下复合钎料钎焊接头的蠕变断裂寿命,并与Sn-0.7Cu基体钎料钎焊接头进行对比.此外,确定纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料钎焊接头在不同温度和应力水平下的应力指数和蠕变激活能,建立复合钎料钎焊接头的稳态蠕变本构方程.结果表明,在不同的温度和应力下,与Sn-0.7Cu钎料钎焊接头相比,纳米Ag颗粒增强的Sn-Cu基复合钎料钎焊接头的蠕变断裂寿命均有所提高,且具有更高的蠕变激活能,说明复合钎料钎焊接头具有更优的抗蠕变性能.     

QFP器件微焊点热疲劳行为分析

通过数值模拟可知,蠕变应变和塑性应变在时间历程处理过程中,以阶梯状累积增加.基于 Shine and Fox 模型和 Solomon 模型,运用等效应变进行 SnPb 和 SnAgCu 焊点的疲劳寿命评估,分别为 937 次和 1391 次.结果表明,焊点的拉伸力均随着热循环次数的增加而减小;SnAgCu 焊点的热循环可靠性优于 SnPb 焊点,焊点在热循环后的断裂形式已由韧性断裂转变为脆性断裂.随着热循环次数的增加,焊点界面处的金属间化合物层不断的生长,脆性的金属间化合物使得焊点的可靠性严重削弱,导致焊点的拉伸力下降.

Abstract：

The crrep strain and plastic strain of soldered joints in time history are studied and analyzed with numerical simulation method, which are found to be accumulated as ladder form.Based on Solomon and Shine and Fox models, the fatigue life values of the Sn-Pb and SnAgCu soldered joints are evaluated by equivalent strain, which are about 937 and 1 391 respectively. The experimental results showed both in experiment and simulation results indicate that the tensile force of soldered joints will be decreased with the increase of thermal cychng times, the reliability of SnAgCu after thermal cycling is better than that of Sn-Pb, the fracture mode of the soldered joints transforms from toughness fracture into brittle fracture,and the brittle intermetallic compounds at the interface of soldered joints will grow up gradually with the increase of thermal cycling times during thermal cycling process, which give a strong impact to the reliability of soldered joints and reduce the tensile force of soldered joints at the same time.