【摘 要】
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随着电子器件的小型化和通用性的提高,焊点的尺寸减小到几十微米,导致Sn58Bi焊点钎料基体组织中存在明显的相不均匀性和各向异性。在本研究中,研究了微观组织不均匀性和各向异性对Cu/Sn58Bi/Cu线型微焊点力学性能的影响。本文研究内容主要包括以下三个部分:(1)基于密度泛函理论的第一性原理方法研究晶体Sn和Bi的力学性能。计算了单晶体Sn和Bi的弹性常数和多晶体Sn和Bi的体积模量、剪切模量和弹
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随着电子器件的小型化和通用性的提高,焊点的尺寸减小到几十微米,导致Sn58Bi焊点钎料基体组织中存在明显的相不均匀性和各向异性。在本研究中,研究了微观组织不均匀性和各向异性对Cu/Sn58Bi/Cu线型微焊点力学性能的影响。本文研究内容主要包括以下三个部分:(1)基于密度泛函理论的第一性原理方法研究晶体Sn和Bi的力学性能。计算了单晶体Sn和Bi的弹性常数和多晶体Sn和Bi的体积模量、剪切模量和弹性模量。此外,通过纳米压痕与EBSD试验获得了单晶体Sn的弹性模量。结果表明试验获得的弹性模量与由弹性常数计算的弹性模量十分接近,验证了第一性原理计算的准确性。(2)通过回流焊接方法制备高度200μm和300μm的Cu/Sn58Bi/Cu线型微焊点,采用扫描电子显微镜(SEM)观察了焊点钎料合金的微观组织形貌。结果表明Sn58Bi钎合金的微观组织为典型的共晶层状结构,包含了Sn相和Bi相,呈现出连续网状的不均匀分布。同时,采用动态力学分析仪对焊点进行准静态拉伸试验。结果表明高度200μm焊点的力学性能略优于高度300μm的焊点。(3)基于获得的力学性能、弹性常数和SEM观察的共晶组织形貌,在ABAQUS软件中建立了包含钎料共晶组织的Cu/Sn58Bi/Cu线型微焊点的三维拉伸有限元模型。结果表明,微观组织的不均匀性引起了第一主应力(σ1)和Von Mises应力(σeq)增大,导致应力集中。当Sn58Bi钎料基体由弹性变形阶段转变到塑性变形阶段时,Sn58Bi钎料的高σeq区逐渐由Sn相向Bi相转移,位于在相边界位置。而高σ1区一直分布在Sn相,位于与铜基体接触的界面位置。此外,各向异性研究表明,Sn58Bi钎料基体弹性各向异性力学性能主要受Sn的各向异性影响。当晶体取向为π/2时,焊点的σ1和σeq集中程度最低。
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