基于动态纳米压痕技术的低银无铅结构焊点的力学行为研究

Under the condition of vibration, drop and impact, the strain rate and temperature have an important effect on the mechanical properties of materials. Due to the limitations of traditional testing methods, this project aims to establish a dynamic indentation-based experiment testing method by use of the existing Hopkinson pressure bar apparatus and the test principle of nanoindentation, and derive the material parameters of dynamical properties of micron-sized low-silver lead-free structure joint (including Cu bonding pad, low-silver solder Sn0.3Ag0.7Cu and intermetallic compounds (IMC)) with high density and high integration in package. Then, the finite element method-based numerical approach will be presented to simulate the mechanical behaviors of the low-silver lead-free solder joint subjected to dynamical loads, and illustrate the micromechanical evolution mechanism. The developed mechanical model of dynamical response of micro-packaging structure under drop/impact loads, is expected to provide a possible evaluation approach to the reliability of the micron-sized low-silver lead-free solder joint under drop and impact loads. The investigated results of this project will provide the experimental and theoretical foundation for the testing and analysis of dynamic mechanical properties of micro-sized materials. Also, they will provide a technical support for the resistance of drop and impact of low-silver lead-free structure joint in electronics widely applied in aerospace, Electric Multiple Unit and auto industry.

在振动、跌落/冲击等载荷条件下，应变率和温度效应对材料力学性能具有重要影响。由于传统测试手段的局限性，本项目拟在现有的Hopkinson压杆技术的基础上，结合纳米压痕测试原理，制作动态纳米压痕实验系统，以高密度、高集成度封装的微米低银无铅结构焊点（包括Cu焊盘、低银焊料Sn0.3Ag0.7Cu以及金属间化合物IMC层）为研究对象，获得其基础动态力学性能参数。进而采用基于有限元的数值模拟手段来模拟动态荷载下低银无铅结构焊点的力学行为，阐明其微观演化机制。通过建立和完善微封装结构跌落/冲击下的动态响应模型，为微尺寸低银无铅结构焊点的可靠性提供评估手段。本项目的研究结果，将为微米量级材料动态力学性能的测试和分析提供实验和理论依据，为低银无铅结构焊点在航空航天、动车组、汽车等电子产品抗跌落冲击方面提供技术支持。

在振动、跌落/冲击等载荷条件下，应变率效应对材料力学性能具有重要影响。由于传统测试手段的局限性，本项目在 Hopkinson 压杆技术的基础上，根据动态纳米压痕测试原理，建立了一套动态压痕实验系统。力争在微米量级材料动态力学性能的测试和分析方面取得一些研究成果。项目以低银无铅焊料为研究对象，利用多种实验手段结合有限元方法对其准静态及动态力学性能进行了系统的研究。首先，用自主设计制作的实验装置对低银无铅焊料进行了动态压痕试验，获得了不同加载速率下材料的应变信号。在动态压入过程中当低银无铅焊料达到等效应力最大值之后材料发生塑性变形，压痕仍会继续扩展。通过结合Hopkinson压杆和静态纳米压痕原理得到试件在不同应变率的荷载-位移关系。当气压高时，荷载位移曲线较稳定，当气压不足时，荷载位移曲线出现较大的波动。另结合有限元手段获得了低银无铅焊料的荷载-压深曲线，随着应变率的升高，荷载峰值逐渐升高，低银无铅焊料表现出应变率效应及应变强化效应。其次，项目分别利用自主设计的分离式霍普金森压剪杆装置及带温控系统的电子万能实验机对低银无铅焊料进行了不同工况下的动态及准静态加载试验，获得了材料的动态及准静态本构关系。材料抗压缩性能随着承受负荷倾斜角度的增加逐渐减弱，抗剪切性能随即逐渐增强。同时材料在法向及切向两个方向上均表现出应变率效应。材料在准静态荷载下，随着温度的升高，低银无铅焊料的流变应力降低。另外，利用带温控系统的分离式霍普金森压杆装置对TC4钛合金进行了动态压缩试验，得到TC4热氧化处理时间在40h附近存在一个最佳保温时长。同时随着试验温度的升高，材料表现出明显的温度软化效应，同时其塑性变形阶段也随之延长。经过三年的研究，在本课题的资助下，课题组成员发表学术论文8篇，本课题所取得的研究成果可为低银无铅焊料在新型微电子封装领域的应用方面提供良好的理论基础。