热-振动耦合作用下无铅微互连的失效机理与寿命预测

Electronic equipment could be subjected to many different forms of temperature field and severe vibration environment during transportation and handling, such as in military, aerospace or automotive applications. In this project, the mechanical characteristics and failure mechanism in lead-free interconnections under thermal and vibration couple loading were studied through theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigation. The mechanical behavior，failure mode and failure mechanism of micro-interconnections are investigated, and the effect of different temperature fields on the vibration reliability of lead-free micro-interconnections is revealed. The dynamic model of micro-interconnections subject to thermal input and vibration excitation is established to quantitatively describe their coupled dynamic behavior characteristics. The optimum structural design theory and method of printed circuit board assembly under thermal vibration coupling is developed. Based on proportional hazard model, the life prediction model of micro-interconnections is established to effectively evaluate the influence of different temperature and vibration on the micro-interconnections’ lifetime. The research of this project will provide the experimental and theoretical support for the optimization design and life prediction of electronic products, and will improve the reliability of electronic products.

微电子产品被广泛应用于航空航天、军用设备及汽车等，在使用过程中时常承受温度场与振动双重载荷，热-振动耦合作用下更易引发性能故障而无法正常服役。本项目以微电子产品中的板级无铅微互连结构为研究对象，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，研究热-振动耦合下无铅微互连的力学行为、失效机理与模式，揭示在高温时效-振动直接/顺序耦合以及热循环-振动顺序耦合中不同的温度场与热循环加载方式影响无铅微互连耐振性的规律；建立热-振动耦合作用下无铅微互连的力学模型，用于定量描述无铅微互连热-振动耦合力学行为特征，并发展热-振动耦合下无铅微互连电路板组件的结构优化设计理论与方法；建立热-振动耦合下无铅微互连寿命预测模型，有效地评估不同温度场与振动对微互连寿命退化的影响。研究成果将为热-振动耦合作用下电子产品优化设计和寿命预测提供理论基础与技术依据，对电子产品可靠性的提高具有重要意义。

微电子产品广泛应用于航空航天、军用设备及汽车等，在使用过程中经常承受温度场与振动双重载荷，热-振动耦合作用下更易引发性能故障而无法正常服役。本课题以板级无铅微互连为研究对象，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，开展了以下研究。.1）测量电路板基板的动态力学参数，揭示了温度、扫描频率、加载模式和升温速率对其动态力学参数测量的影响规律。开展常温模态与热模态试验与数值模拟研究，发现了受热后的电路板组件振型与室温时的基本一致，但受热后的电路板组件的固有频率均略降低。随着服役温度场升高，由于基板的玻璃化转变，电路板组件的固有频率会降低。.2）设计改进了高温超声疲劳试验系统，该系统能有效地开展复杂环境下材料的超长寿命性能试验，且可以实现高/低温超高周疲劳循环加载。开展了热循环-随机振动试验，发现随着热循环次数增加，无铅微互连的失效形式是明显的体失效，与热循环-跌落冲击下无铅微互连脆性失效形式有显著区别，表明热循环对其失效模式的影响与振动冲击本身的幅值大小有关。.3）建立电路板组件有限元模型，开展了优化设计，提出了一些电路板组件抗振设计的方法准则。焊点采用Anand统一粘塑性模型，开展了热循环-随机振动下的有限元数值模拟分析，并基于修正后Coffin-Manson方程、线性累积损伤理论与高斯分布理论获得了无铅微互连寿命。.4）为提高无铅微互连的可靠性，研究了Sn-3.5Ag焊料掺杂Sb后的显微组织、熔化特性、润湿性及力学性能。发现掺杂Sb能使无铅焊料微观组织细化、熔程减小，其润湿性变好、抗拉强度和延伸率变大，有利于提高Sn-3.5Ag焊料合金的综合性能，对Sn-3.5Ag系焊料组分设计具有一定指导意义。