背景简介

随着航空航天领域电子封装器件中焊点尺寸趋于小型化，焊点中晶粒数量有限，使得锡基无铅焊点的各向异性愈发显著。同时，器件在服役中承受由功率循环引起的温度循环，不同封装材料之间的热膨胀系数存在明显差异，导致焊点承受热机应力。因此，发展热机晶体塑性模型，用于模拟热机耦合循环载荷下锡基无铅焊料各向异性的力学响应，对于电子封装器件焊点可靠性研究具有重大意义。

目前，针对锡基无铅SAC305（Sn-3.0Ag-Cu0.5）焊料的晶体塑性模型研究中，缺少准确模拟热机耦合载荷下不对称应力应变响应的研究，特别是温度循环范围为218~398 K，应力应变滞环出现高度不对称的研究。因此，建立准确的晶体塑性本构关系，揭示热机耦合循环变形的内在机理，阐明Sn晶体取向织构对非对称热机耦合变形的影响，是电子封装器件微焊点热循环可靠性评估亟需解决的关键问题。

成果介绍

（1）建立了热机晶体塑性有限元模型，发展了分段函数形式的热激活项以及与温度呈非线性演化关系的短程背应力方程。采用恒温疲劳实验数据进行参数校核，拟合得到两个短程背应力参数与温度呈非线性演化关系（图1），并用于模拟不同温度范围下SAC305焊料和Castin（96.2Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb）焊料的热机疲劳（TMF）不对称应力应变响应（图2、图3），准确反应了焊料在热机耦合循环载荷下各向异性的变形行为。

图1 短程背应力参数演化规律

图2 在303~373 K下SAC305焊料不同应变幅值的TMF曲线

图3 在303~398 K下SAC305焊料和218~398 K下Castin焊料的TMF曲线

（2）模拟了热-机耦合循环加载下焊点材料在第1循环周次和第10周次最大拉伸应变处的应变场（图4），研究发现373 K的等温疲劳（IF）、同相位热机疲劳（TMF-IP）、反相位热机疲劳（TMF-OP）的应变局部位置有微小的差异；经过9次循环加载后，TMF-IP局部最大应变值的增量最大，TMF-OP次之，IF最小，说明利用传统的IF代替TMF-IP研究是偏于危险的。

图4 三种加载条件的应变场

（3）模拟了两种应力水平下同相位热机棘轮（TMR-IP）应力应变曲线和棘轮应变的累积过程（图5），并预测了不同晶体取向织构对应的棘轮应变累积过程（图6）。结果表明，晶体的c轴垂直于加载平面时，变形抗力最大，棘轮应变累积最慢，为最优取向；当晶体的c轴平行于加载方向时，焊点易发生棘轮应变累积，为危险取向。本工作为封装器件中焊点晶体取向的设计提供了理论指导。

图5 两种应力水平的TMR实验与模拟结果

图6 三种晶体取向织构的TMR模拟结果

致谢

该研究工作得到了国家重点研发计划（No. 2020YFA0405901）、国家自然科学基金（Nos. 51875398 and U1637203）、天津大学浙江研究院的支持。本文通讯作者：陈刚（天津大学）。

本期小编：李兵兵（整理）

杨逸璠（校对）

程　航（审核）

闵　琳（发布）