背景简介

电子芯片的发展越来越趋向小型化、集成化和服役环境的极端化，而连接芯片与电路板的互连结构发挥着越来越重要的作用。从服役可靠性的角度来讲，互连材料的力学性能直接决定了整个设备或者系统的使用寿命，例如在轨、发射和击打等极端服役条件，为了满足互连材料的无铅化要求，锡基无铅焊料是目前最有应用前景的芯片互连材料。近几年来，随着技术的不断提高，互连材料服役环境主要呈现以下特点：1）在功能性能需求更加复杂化的条件下，服役环境呈现出明显的微型化和大规模化，部件种类、复杂程度与组成规模急剧增加；2）随着应用场景的复杂化，互连材料面临的使用环境更加多变和极端，例如机械疲劳和热疲劳等极端挑战；3）实际服役环境中普遍存在芯片工作时电流焦耳热所致的高温环境以及产品振动所致的周期性应变。值得注意的是，上述载荷使得互连材料承受较高应力，已经接近或者超过屈服强度，因此互连材料在服役环境下受到热力耦合作用下低周疲劳载荷，导致互连材料力学性能逐渐产生永久性退化，从而降低芯片互连结构的疲劳寿命和电子器件的服役可靠性。因此，有必要深刻理解恶劣服役环境中热力耦合作用下锡基无铅焊料力学性能的劣化规律及其损伤机理，从而能够更加准确地预测分析和优化设计互连结构的疲劳寿命。这是电子器件封装结构力学可靠性亟需解决的关键力学问题。

目前已有的无铅焊料的低周疲劳预测模型通常基于应力和应变，本质上都属于曲线拟合模型和唯象模型，此类经验性模型尚无法揭示焊点材料疲劳过程的物理机理，特别是损伤演化和累积的潜在机制。西北工业大学龙旭课题组与马来西亚国立大学Kim Siow、大阪大学陈传彤合作，以基于热力学中熵的概念被应用于机械疲劳、热载荷等负载系统为背景，以峰值应力为量化指标建立基于熵增的损伤模型，准确、快速地评估无铅焊料在热力耦合作用下的损伤演化和累积。

成果介绍

（1）采用最具代表性的用于单轴拉伸的狗骨状试件，对锡基无铅焊料SAC305（图1）进行了最大应变水平为0.12、幅值为0.01的400个加载周期的低周疲劳加载试验，得到了不同温度和应变率下峰值应力的退化规律。以峰值应力的退化值作为熵增的量化指标，提出了基于熵增的损伤模型，并计算了不同温度和应变率下的损伤参数（图2）。

图1 试验中SAC305无铅焊料试样示意图(mm)

图2 不同温度下循环数与峰值应力和损伤参数之间的关系

（2）对损伤参数进行了关于时间的一阶求导，得到了不同温度和应变率下损伤参数演化，鉴于后续循环中损伤参数演化近似为零，对损伤累积的贡献不大，因此损伤演化结果主要基于前50个循环加载（图3）。上述结果为有限元模拟预测SAC305无铅焊料疲劳寿命所需的循环数提供了一定试验依据。为了解释不同温度和应变率下熵增速率和损伤累积的本质，利用光学显微镜观测了微观结构和损伤演变之间的关联机制，从能量的角度阐明了SAC305无铅焊料的损伤演化和累积的物理机制。随着温度和应变率的变化，随着变形所致能量耗散，材料微观结构发生显著变化，例如β-Sn的演化和裂纹的出现（图4）。

图3 不同温度和应变率下损伤参数的演化

图4 不同温度和应变率下微观结构的演化

（3）为了便于利用有限元方法预测SAC305无铅焊料的损伤累积，提出了一种新的考虑损伤的统一蠕变-塑性（UCP）本构模型，通过校准基于熵增的损伤模型参数，阐明了SAC305无铅焊料在不同温度和应变率下疲劳损伤特征。通过实现用户自定义的材料子程序，可以便捷地利用所提出的UCP本构损伤模型进行封装结构的疲劳行为有限元模拟，能够准确预测强度退化、塑性变形和损伤积累等宏观响应（图5）。

图5 不同时刻的应力模拟结果

致谢

该研究工作得到了国家自然科学基金项目(52175148)和陕西省自然科学基金项目(52175148)的支持。本文通讯作者：龙旭（西北工业大学）。

本期小编：郭　颖（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

闵　琳（发布）