
研究概述
SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu)無鉛焊料因其優(yōu)異的潤濕性、可靠的力學性能和抗疲勞性能,已成為電子封裝領(lǐng)域替代含鉛焊料的材料。隨著電子設(shè)備向微型化和輕量化方向發(fā)展,焊點的尺寸不斷減小,在運輸和服役過程中承受的熱循環(huán)載荷、振動、沖擊等復雜載荷導致其易于發(fā)生疲勞失效。在非對稱循環(huán)載荷下,焊點會產(chǎn)生塑性應(yīng)變持續(xù)累積的"棘輪效應(yīng)",加速材料失效,嚴重影響電子封裝的可靠性。傳統(tǒng)的統(tǒng)一黏塑性本構(gòu)模型基于結(jié)構(gòu)均勻性假設(shè),僅能描述棘輪安定行為,無法模擬材料從穩(wěn)態(tài)到加速失效的全壽命過程。因此,考慮材料內(nèi)部微裂紋和微缺陷演化的損傷耦合本構(gòu)模型對于準確預測焊料壽命至關(guān)重要。
針對上述問題,天津大學化工學院陳剛、王宇燕、李鵬、崔云、施守文、楊靜、許維玲、林強等人在Mechanics of Materials期刊(2022年第171卷)發(fā)表了題為"Constitutive and damage model for the whole-life uniaxial ratcheting behavior of SAC305"的研究論文。該研究通過系統(tǒng)的單軸棘輪實驗,建立了基于連續(xù)損傷力學的非線性損傷耦合本構(gòu)模型,以描述SAC305焊料在不同加載條件下的全壽命棘輪行為。損傷變量從循環(huán)加載過程中卸載段的彈性模量退化中提取,損傷演化基于損傷耗散勢推導,并通過歸一化壽命和塑性應(yīng)變能密度進行修正,使模型能夠準確描述不同加載條件下的損傷演化。該研究為電子封裝焊料在復雜服役環(huán)境下的壽命預測和完整性評估提供了重要的理論基礎(chǔ)和方法支撐。
實驗方法與核心發(fā)現(xiàn)
研究采用商業(yè)SAC305合金(Sn-3.0Ag-0.5Cu),試樣在0.85倍熔點溫度下熱處理3小時后隨爐冷卻,并在室溫下時效超過20天以確保力學性能均勻性。實驗在微型電磁力疲勞測試系統(tǒng)上進行,配合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)測量應(yīng)變值,系統(tǒng)研究了應(yīng)力加載速率、平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值對SAC305焊料棘輪行為的影響。共設(shè)計了9組不同加載條件的實驗(應(yīng)力速率2~200 MPa/s、平均應(yīng)力8~22 MPa、應(yīng)力幅值6~22 MPa),涵蓋了拉-拉和拉-壓兩種棘輪加載模式?;诮y(tǒng)一蠕變-塑性本構(gòu)框架,建立了考慮屈服面半徑為零的率相關(guān)本構(gòu)模型,并引入連續(xù)損傷力學中的非線性損傷演化律,通過彈性模量退化定義損傷變量D,最終利用MATLAB擬合實驗數(shù)據(jù)確定了模型參數(shù)。

圖1 試樣幾何形狀(單位:mm)
本構(gòu)模型框架基于von Mises屈服準則,由于SAC305焊料無明顯彈性階段,其屈服面半徑定義為0??倯?yīng)變率分解為彈性應(yīng)變率和黏塑性應(yīng)變率兩部分,其中彈性部分遵循Hooke定律,黏塑性部分由流動法則定義。背應(yīng)力分解為短程和長程兩部分,分別采用不同的演化方程描述。引入損傷變量D后,有效應(yīng)力概念被應(yīng)用于修正屈服函數(shù)、彈性本構(gòu)關(guān)系、流動法則和背應(yīng)力演化方程,構(gòu)成完整的損傷耦合本構(gòu)模型。損傷變量的定義基于卸載彈性模量的退化:D = (E? - E_eff)/E?,其中E?為初始彈性模量,E_eff為各循環(huán)的有效彈性模量。損傷演化律由連續(xù)損傷力學的損傷耗散勢推導,并結(jié)合歸一化壽命進行修正以簡化損傷演化方程。


圖2 SAC305焊料在不同應(yīng)力加載速率下的棘輪響應(yīng)(σ? = 8 MPa,σ? = 20 MPa,σ? = 200/20/2 MPa/s)

圖3 不同平均應(yīng)力下的棘輪響應(yīng)(σ? = 20 MPa/s,σ? = 8 MPa,σ? = 22/20/18 MPa)



圖4 不同應(yīng)力幅值下的棘輪響應(yīng):(a) σ? = 20 MPa, σ? = 10/8/6 MPa;(b) σ? = 8 MPa, σ? = 22/20 MPa
主要發(fā)現(xiàn)如下:
1. 應(yīng)力加載速率對棘輪行為的影響
SAC305焊料的棘輪響應(yīng)對應(yīng)力加載速率具有顯著的率相關(guān)性。隨著應(yīng)力加載速率增大(2→20→200 MPa/s),棘輪應(yīng)變累積速率逐漸減小,疲勞壽命顯著增加(60→1336→29647周次)。棘輪應(yīng)變累積曲線可分為三個階段:初始瞬態(tài)累積階段、棘輪應(yīng)變率穩(wěn)態(tài)階段和棘輪應(yīng)變率加速階段。在較高加載速率下可觀察到明顯的初始瞬態(tài)階段,而低速率下該階段不明顯。SAC305焊料的大部分壽命處于棘輪應(yīng)變率穩(wěn)態(tài)階段。在加速階段,微裂紋的產(chǎn)生促進了棘輪應(yīng)變的持續(xù)累積,最終導致斷裂失效。率相關(guān)性與位錯微結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和界面連接強度密切相關(guān):較高加載速率意味著更快的位錯積累速率,阻礙進一步塑性變形;較低加載速率下位錯積累密度小,材料有一定程度的回復和再結(jié)晶,增大了棘輪應(yīng)變。
2. 平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值對棘輪行為的影響
平均應(yīng)力的增大使棘輪累積的第一階段更加明顯,棘輪累積速率增大,經(jīng)過較少循環(huán)周次后即發(fā)生斷裂失效。應(yīng)力幅值對拉-拉和拉-壓兩種棘輪模式的響應(yīng)均很敏感。隨著應(yīng)力幅值增大,棘輪累積速率增大,棘輪壽命減小。在拉-壓模式下(σ? = 8 MPa,σ? = 22/20 MPa),盡管平均應(yīng)力較小,但由于較大的應(yīng)力幅值導致每個循環(huán)中塑性變形較大,棘輪應(yīng)變?nèi)匀伙@著累積。
3. 基于彈性模量退化的損傷變量定義
本研究創(chuàng)新性地從循環(huán)加載過程中卸載段的彈性模量退化中提取損傷變量D。初始損傷值D?設(shè)為0,臨界損傷值Dcr取所有加載條件下的平均值0.49,與先前研究中微裂紋開始聚合形成宏觀裂紋的Dcr = 0.5相吻合。損傷演化律由連續(xù)損傷力學的損傷耗散勢推導得到:D = D? + (Dcr - D?){1 - [1 - ln(Nnorm/Nnorm_th)/ln(Nnorm_cr/Nnorm_th)]^α},其中Nnorm為歸一化壽命,Nnorm_th和Nnorm_cr分別為損傷起始和材料失效時的歸一化壽命值,α為損傷指數(shù)。歸一化壽命的引入簡化了不同加載條件下?lián)p傷演化律的比較,提高了計算效率。


圖5 偏應(yīng)力空間中應(yīng)力組成示意圖:(a) 屈服應(yīng)力σ? ≠ 0;(b) 屈服應(yīng)力σ? = 0


圖6 不同加載條件下SAC305焊料損傷變量的實驗值與模型擬合曲線(實驗編號a~i)
4. 塑性應(yīng)變能密度修正損傷指數(shù)
不同加載條件下?lián)p傷指數(shù)α存在差異,但與首周循環(huán)的塑性應(yīng)變能密度w之間存在冪律關(guān)系:α = A·w^B,其中A = 0.23604,B = 0.21966,回歸決定系數(shù)R2 = 0.93。較大的α意味著每個循環(huán)中更大的損傷值和更高的材料失效傾向。該方法通過能量法修正損傷演化參數(shù),提供了一種新的損傷評估方法,能夠區(qū)分不同加載條件下?lián)p傷演化的速度。能量法具有溫度無關(guān)性和加載路徑積分的優(yōu)勢,適合解決熱-力疲勞問題。


圖7 損傷指數(shù)α與塑性應(yīng)變能密度w的冪律擬合關(guān)系
5. 損傷耦合本構(gòu)模型的全壽命棘輪模擬
損傷耦合本構(gòu)模型能夠準確描述SAC305焊料在不同應(yīng)力加載速率、平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值下的全壽命棘輪行為。與不考慮損傷的模型相比,損傷耦合模型可以模擬棘輪應(yīng)變的穩(wěn)態(tài)上升趨勢和加速階段,而無損傷模型僅表現(xiàn)為"棘輪安定"和小幅棘輪累積,無法描述加速失效階段。盡管在棘輪應(yīng)變率加速階段的預測值略低于實驗值,但模型能夠準確捕捉從穩(wěn)態(tài)階段到加速階段的拐點,這對于焊料壽命預測具有重要意義。由于SAC305焊料的大部分壽命處于穩(wěn)態(tài)階段,穩(wěn)態(tài)階段的持續(xù)時間被采用作為失效判據(jù)。模型同時能夠模擬拉-拉和拉-壓兩種形式的棘輪響應(yīng)。


圖8 損傷耦合模型與無損傷模型的模擬結(jié)果對比(σ? = 20 MPa,σ? = 8 MPa,σ? = 2 MPa/s)


圖9 不同應(yīng)力下SAC305焊料棘輪行為的應(yīng)力加載速率實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比


圖10 不同應(yīng)力下SAC305焊料棘輪行為的平均應(yīng)力實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比


圖11 不同應(yīng)力下SAC305焊料棘輪行為的應(yīng)力幅值實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比
結(jié)論與工程啟示
該研究建立了損傷耦合本構(gòu)模型來預測SAC305焊料在室溫下的全壽命棘輪行為,通過不同加載速率、平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的系統(tǒng)實驗驗證了模型的有效性。主要結(jié)論包括:
(1)損傷變量通過各循環(huán)卸載彈性模量的演化來表征。損傷演化律經(jīng)歸一化壽命修正,并引入塑性應(yīng)變能密度項,該改進損傷模型能夠模擬不同加載條件下?lián)p傷變量的演化規(guī)律。
(2)不同加載條件下?lián)p傷演化的速度可通過首周循環(huán)的塑性應(yīng)變能密度來區(qū)分,為損傷評估提供了一種新的能量方法。該方法具有溫度無關(guān)性和加載路徑積分的優(yōu)勢。
(3)SAC305焊料的棘輪累積與應(yīng)力加載速率、平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值密切相關(guān)。損傷耦合本構(gòu)模型能夠成功捕捉焊料棘輪行為對應(yīng)力加載速率、平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值變化的敏感性,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。
工程啟示方面,該研究提出的基于彈性模量退化提取損傷變量并結(jié)合塑性應(yīng)變能密度修正的方法,為電子封裝焊料的可靠性評估提供了一條實用路徑。穩(wěn)態(tài)階段到加速階段的拐點作為壽命預測判據(jù),具有較高的工程應(yīng)用價值。然而,該模型目前僅適用于單軸加載條件,對多軸加載的適用性有待進一步驗證。此外,能量法的溫度無關(guān)性特征使其有潛力拓展至熱-力耦合疲勞問題的分析,這對于電子封裝焊料在復雜溫度場下的壽命評估具有重要意義。該方法框架也可推廣至其他材料的損傷演化研究,為蠕變-棘輪-疲勞交互作用的探索提供了有效手段。
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