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球栅阵列(BGA)焊点以及由其衍生而来的μBGA和TinyBGA等类似“鼓”状结构的微焊点一直广泛用于不同级别的电子封装结构中。微焊点是电子封装结构中非常重要但往往是最薄弱的部分,其失效常常引起电子产品和设备的功能损失甚至整体失效。在真实工况下,微焊点常承受电载荷、热载荷和力载荷的同时作用;随着电子产品不断小型化和多功能化,焊点尺寸持续减小,由此带来的超常规的电流、温度和力学载荷引发了一系列的可靠性问题。本文主要研究电-力耦合载荷作用下BGA结构微焊点的力学行为与性能规律、断裂行为和失效机理及其尺寸效应。首先研究不同加载速度对BGA微焊点剪切性能和断裂行为的影响;随后从实验表征、理论推导、有限元模拟三个方面全面研究了电流对BGA微焊点剪切性能和断裂行为的影响;深入探究了BGA微焊点界面显微组织、剪切性能及断裂行为的尺寸效应;研究了电-力耦合载荷下微焊点蠕变与断裂行为及其机理;在上述研究确认了电-力耦合下裂纹倾向于在钎料/金属间化合物(Solder/IMC)界面萌生和扩展的基础上,提出了计算电-力耦合下微焊点Solder/IMC界面裂纹断裂力学参数的方法;最后,采用相场法研究并再现了电-力耦合下微裂纹的萌生和扩展过程。不同剪切加载速度下的实验研究结果表明,电流作用并不改变BGA微焊点剪切性能随加载速度变化的趋势,微焊点的力学性能随电流密度的增大而降低;有限元模拟结果也证实,在微焊点钎料基体中靠近Solder/IMC界面处存在剪切应力主导的两个高耗散能密度区。此外,在高电流密度和低加载速度下,断裂主要发生在微焊点的Solder/IMC界面处,主要呈现脆性断裂模式,而在低电流密度和高加载速度下断裂易于发生在微焊点中的钎料基体内,以韧性断裂模式为主。实验测得的不同电流密度下BGA结构微焊点上的实际温度与有限元模拟结果高度一致。有限元模拟结果再现了BGA结构微焊点中的两类电流拥挤效应,即在Solder/IMC界面处和电子出入口处出现的电流拥挤现象,且电流拥挤程度随电流密度增大而加剧,造成焊点剪切性能显著降低。焊点剪切断口分析结果表明,电-力耦合载荷下微焊点的断裂呈现三种模式,即低电流密度下在靠近Solder/IMC界面附近钎料基体中发生的韧性断裂、中等电流密度下先在Solder/IMC界面起裂然后在钎料基体中裂纹扩展和失稳的韧-脆混合型断裂以及高电流密度下发生在Solder/IMC界面的脆性断裂。加载时中止实验研究结果表明,电-力耦合载荷下微焊点中的微裂纹易于在Solder/IMC界面萌生。不同尺寸BGA微焊点的界面IMC组织形态明显不同,其会影响焊点在电-力耦合载荷作用下的剪切性能。结合中止实验断口形貌分析发现,不同尺寸的焊点其断裂模式明显不同,即小尺寸焊点中裂纹在Solder/IMC界面中部或端部萌生,并先沿Solder/IMC界面后沿钎料基体的方式扩展,断裂主要是韧-脆混合型模式;而大尺寸焊点中裂纹在阴极或阳极侧Solder/IMC界面的端部萌生,并以Solder/IMC界面为主要路径扩展,断裂几乎全为脆性模式;值得指出的是,对于具有几何对称性的BGA微焊点,剪切载荷下当裂纹在焊点一侧起裂和扩展后,在焊点中的另一侧界面也会出现新裂纹的萌生和扩展,呈现出双裂纹同时扩展的断裂方式。电-力耦合载荷下BGA微焊点的蠕变性能的研究结果表明,电流的施加并不改变由剪切应力主导的蠕变应变-时间曲线的三阶段特征。电流通过改变原子和位错等的运动方式与速率提高稳态蠕变速率,加速蠕变变形过程,导致焊点蠕变寿命显著减小。对蠕变激活能和应力指数的综合分析发现,施加电流后主导稳态蠕变变形的机制从位错攀移变为体扩散。研究还发现,与Norton幂律蠕变法则相比,Garofalo双曲正弦蠕变本构关系更适合于描述电-力耦合载荷下BGA焊点的稳态蠕变过程。此外,根据不同电流密度下微焊点稳态蠕变的实验数据,尤其是考虑了电流密度在稳态蠕变本构中的贡献,提出了修正后的Garofalo双曲正弦蠕变本构方程。基于断裂力学、电学及热学理论提出了计算电-力耦合条件下微焊点界面微裂纹断裂力学参数(应力强度因子和应变能释放率)的方法。结合本文第二至五章的研究内容,计算表征了不同载荷条件下BGA微焊点中界面裂纹的断裂力学参数,并与实验获得的微焊点力学行为和性能评估结果进行了比较,模拟计算和实验结果能很好地自洽,表明所提出的方法具有较好的适用性和可靠性。最后,采用相场法研究了电-力耦合下微焊点中微裂纹萌生和扩展过程,并作为上面所述工作的补充和深入;尤其是成功地将电场的贡献加入到准静态裂纹相场模型的自由能密度函数中,从而拓宽了准静态裂纹相场模型的运用范围,使其可用于电-力耦合条件下。随后建立了含有不同尺寸、位置及空洞数量的相场模型,运用优化后的准静态裂纹相场方法实现了相应条件下微焊点中微裂纹萌生和扩展的动态过程。这是首次成功尝试对电-力耦合下微裂纹萌生和扩展动态过程的直观再现,为后续研究提供了重要参考。