تحلیل مکانیک شکستگی در ترکیبات اتصال لحیم میان فلزی در تست برش
چکیده
اتصالات لحیم در محصولات الکترونیکی از موضوعات مهم تلقی می شوند. در این تحقیق، ارزیابی کیفی پارامترهای مکانیک شکستگی (مثل فاکتورهای شدت فشار ( و زاویه تاب ) در لایه IMC برای اتصالات لحیمی SnPd و فاقد Pd انجام شده است. متدهای محاسبه بر مبنای مدل سازی عددی عنصر محدود تحلیل فشار در مونتاژ مس –IMC- لحیم –IMC- مس تحت شرایط برش استوارند. فرض می شود که فقط یک ترک در یکی از لایه های IMC وجود دارد. راهکار مکانیک شکستگی خطی الاستیک (LEFM) برای مطالعه پارامتریک SIF ها و ، در ترک از پیش تعیین شده در لایه IMC نمونه برش اتصال لحیم لب به لب به کار می رود.
از میان پارامترهای مختلف بررسی شده در این تحقیق، محل ترک از حد فاصل های لحیم معلوم شده که بسیار حساس اند. ترک نزدیک فاصله 1 میکرون از حد فاصل معلوم شده که مستعد تکثیر است. جالب است که لایه IMC قطورتر گرایش تکثیر ترک را در صورتی کاهش می دهد که فقط یک ترک واحد در لایه IMC وجود داشته باشد و ان ترک در میانه لایه IMC وجود داشته باشد. حتی اگر کل لایه لحیم با IMC در اتصال لحیم جایگزین شود، احتمال تکثیر شکستگی شدیداً کاسته می شود. ضخامت اتصالات لحیم هم در ارزش های SIF تأثیر عمده ای دارد. معلوم شده که ماتریکس لحیم نرم در میان حد فاصل لحیم – IMC نزدیک نوک ترکی که مسئول به دست آوردن گستره وسیعی از ارزشهای است تغییر شکل پلاستیک غیر یکدست ایجاد می کند.
1 ) مقدمه
آلیاژ لحیم ماده بسیار پیچیده ای است که خصوصیات تغییر شکل حالات الاستیک، پلاستیک، خزش، ویسکوالاستیک و ویسکو پلاستیک را دارد. با این حال، وقتی با ماده پایه از فلزات مختلف یا آلیاژهای متفاوت اتصال تشکیل می دهد به علت تشکیل ترکیب میان فلزی (IMC ها) در حد فاصل اتصال لحیم، ترکیبات جدیدی به وجود می آید. معمولاً، ماده Cu به عنوان پَد فلزی در کاربردهای لحیم سازی الکترونیک به کار می رود. در حد فاصل Cu / لحیم، Sn معمولاً با Cu واکنش می دهد تا در طول لحیم کردن IMC تشکیل دهد. ریخت شناسی معمولاً IMC ها در حد فاصل ماده / لحیم لایه نازکی در راستای کلمیخ های IMC عمود بر لایه IMC است. هرچند، در طول دوره متعاقب بعدی IMC نوع لایه زیاد می شود.
گزارش شده است که استحکام اتصال لحیم با افزایش ضخامت IMC های شکل گرفته در حد واسط کاهش می یابد. و بنابراین، IMC به عنوان سایت آغازین ترک های ریز محسوب می شود. بسته به ضخامت IMC و لایه های مختلف IMC ها در حد واسط و همین طور محل ترک بحرانی اول، شکستگی یا از طریق لایه های IMC منتشر می شود یا از IMC به لحیم منتقل می شود و مجدداً از لحیم به IMC . در واقع، جنبه فوق العاده فشار همیشه در حد فاصل IMC و لحیم به علت عدم تقارن در ویژگی پلاستیک و الاستیک شان وجود دارد. این جنبه فوق العاده فشار فاکتورهای شدت فشار بیشتر (SIFS) و آمیزش حالت در نوک ترک در لایه IMC در حد واسط اتصال لحیم در مقایسه با ترک هم ارز در مواد همگن، نشان می دهد.
جنبه فوق العاده و معیار شروع شکستگی اتصالات خمیده مواد شکننده و چکش خوار در حد واسط شان موضوع بررسی تئوریکی و عملی وسیعی در چند دهه قبل بوده است. مطالعات پیرامون ترک خرودگی نزدیک به حد واسط خمش سرامیک – فلز نشان می دهد که ترک در منطقه سرامیک به سوی لایه فلز چکش خوار منحرف می شود، هرچند، مجدداً به سمت لایه شکننده تشکیل دهنده مسیر شکستگی jig – jag مشابه با مسیر مشاهده شده در حد واسط لحیم برگشتند. راهکار مکانیک های شکستگی برای بررسی تئوریکی استفاده شد. درک عمیق مسیر شکستکی در حدواسط لحیم به راهکار مشابهی نیاز دارد. به علاوهف به علت مشخصات ویسکو پلاستیک آلیاژهای لحیم، ترک های درون لایه IMC وابستگی عدم همانگی پیچیده ی تمرکز فشار را تجربه می کند که به صورت کمی مطالعه نشده اند.
عموماً تست برش، طبق شکل 1 ، جهت بررسی اعتماد پذیری اتصالات لحیم آرایش شبکه Ball (BGA) انجام می گیرد. در کار تجربی مان، برآورد و اندازه گیری استحکام برش اتصالات لحیم BGA را برای متال سازی مختلف پد و دوره های سن دارشدن مختلف انجام شده است. ساخت شناسی شکستگی هم جایی مطالعه شده که معلوم نشده لایه IMC نقش عمده ای ایفا می کنند. شکستگی های شکننده کامل و همین طور شکستگی های چکش خوار – شکننده در حد واسط لحیم مشخص شده است. ارزشهای استحکام برش اتصالات لحیم هم معلوم شده در دامنه 10 تا MPa 25 قرار دارد که بستگی به حالات شکستگی های شکننده در MPa 12 – 10 استحکام برش رخ می دهند و از میان لایه IMC تکثیر می شوند.
مدل سازی اتصال لحیم میزان توجه زیادی را در طول 3 دهه گذشته به خود جلب کرده است چون در پیش بینی اعتمادپذیری محصولات الکترونیک حیاتی است. ابزارهای عنصر محدود در صنعت الکترونیک به علت بهینه سازی سریع طرح در طول فاز توسعه محصول و همین طور تحلیل عدم موفقیت محصول کاربرد وسیعی داشته اند. اتصالات لحیم معمولاض به عنوان همگن و ایزوتروپ بدون ملاحظه قراردادن IMC ها مدل سازی می شوند. در حالی که، لایه IMC در حدواسط لحیم به عنوان سایت های شروع ترک محسوب می شوند.
هدف اصلی این تحقیق تأمین ارزیابی کمی در مورد ویژگی هایی مکانیک شکستگی نظیر فاکتورهای شدت فشار ( ) و زاویه تاب، ، در لایه IMC برای اتصالات لحیم SnPb و فاقد Pb در شرایط بارگیری برش است. هرچند، در عوض استفاده از مدل اتصال لحیم BGA . مدل ساده ای به کار می رود که مشابه مدل اتصالات لب به لب کششی است که قبلاً انجام شده بود. مقایسه ای هم انجام شده تا نشان دهد مواد لحیم تحت بارگیری برش و کشش چگونه رفتار می کند.
2 ) متد عددی
1 . 2 ) مدل برای تحلیل عنصر محدود
ترتیب بندی تست برای برش شامل دو صفحه از Cu قرار گرفته میان آلیاژ لحیم است (شکل 3) برای شبیه سازی / مقایسه با اتصال لحیم BGA ، با برش در یک سمت از صفحه Cu بالایی به کار می رود در حالی که صفحه پایینی از سمت مخالف ثابت نگهداشته می شود. نمونه کششی اتصال لب به لبی آلیاژ لحیم واقع شده در میان دو صفحه مس هم مورد توجه قرار می گیرد تا با بارگیری برش مقایسه شود. فرض می شود لایه های IMC با ضخامت 20 – 2 در حد فاصل مس – لحیم شکل می گیرند. بنابراین، چهار حدفاصل موازی نظیر مس – IMC ، IMC – لحیم، لحیم – IMC و مس – IMC در نمونه طبق شکل 3 وجود دارد. ترک با عمق 10 از لبه چپ و موازی با حدواسط به نظر می رسد درون یکی از لایه IMC واقع شده باشد. لازم به تذکر است که، به خاطر سهولت، فقط یک ترک از طول 10 در این مطالعه مورد توجه قرار گرفت در حالی اتصالات واقعی لحیم با سایزهای مختلف ترک های بیشتری دربر می گیرد. محل ترک از حد واسط از 1 تا 10 متغییر است. ضخامت لایه لحیم هم از 3/0 تا mm 1 متغیر است. نمونه ها در 2 بعدی و تحت شرایط کشندگی صفحه مدل سازی می شوند. تحلیل عامل محدود با استفاده از بسته نرم افزاری FE انجام شده است.
2 . 2 ) مدل ماده
در مدل محاسبه ای، لایه IMC و Cu الاستیک خطی ایزوتوپ درنظر گرفته می شود، در حالی که ماده لحیم ویسکوپلاستیک تلقی می گردد. جدول 1 مشخصات ماده ای Cu ، IMC ، SnAgCu فاقد Pb (SAC) و SnPb استفاده شده در تحلیل FEM را فهرست می کند.
برای گرفتن مدل ماده ویسکو پلاستیک آلیاژهای لحیم، مدل ANAND از طریق که عامل محدود ANSYS استفاده شده است. قبلاً ، قانون متشکله خاص ویسکوپلاستیک برای تعریف به عنوان که زیر روال کاربر لازم بود تا وابستگی درصد غیرخطی روابط فشار – کششی در بعضی برنامه های عامل محدود را نشان دهد، هرچند، ورژن های اخیر ANSYS مدل پدیده شناختی وابستگی درصد پذیرفته شده ای را تلفیق کردند که اول بار Anand مطرح کرد. آن مدل متشکله Anand تغییر شکل های ویسکوپلاستیکی بزرگ ایزوتروپی را و همین طور تغییر شکل های الاستیکی جزئی را درنظر می گیرد. دو ویژگی عمده در مدل آنانند وجود دارد :
1 ) هیچ موقعیت آشکار و هیچ معیار بارگیری / غیربارگیری وجود ندارد.
2 ) اشکالار واحد، مقاومت تغییر شکلی، S ، به عنوان متغیر داخلی به کار می رود تا مقاومت میانگین ایزوتروپی به جریان پلاستیک ماکروسکوپی پیش آمده از مکانیزم استحکام بخشی را نشان دهد.
ارزشهای ثابت آناند برای لحیم SAC , SnPb در جدول 2 از رفرانس [15] برای این تحقیق استخراج شد. بخش اتصال لحیم نمونه اتصال لب به لبی با استفاده از عنصر ویسکوپلاستیک ANSYS ، VISCO 108 ، همراه با ارزشهای پارامترهای ماده ای ثابت های آناند غربال شد.
3 . 2 ) متدهای عددی برای ارزیابی فاکتور شدت فشار
فاکتورهای شدت فشار (SIF ها) مثل (برای حالت کشندگی) و (برای حالت برش) در تحلیل مکانیک های شکستگی خطی الاستیک (LEFM) نقش عمده ای ایفا می کند. متدهای عددی بسیاری با استفاده از تحلیل عنصر محدود بسط یافته به SIF ها در راستای خط جلوی ترک از پیش موجود دست پیدا کند. متداول ترین متد محاسبه SIF استنتاج جا به جایی ها در مجاورت نوک ترک است و از جملات تحلیلی عرضه شده از سوی LEFM ، استفاده می کند. ماکرومکانیک های شکستگی LEFM برای محاسبه SIF های این کار استفاده شد.
به خاطر آن که کشیدگی و فشارها در نوک ترک واحد و مفرد هستند، و به صورت متغیرند، عناصر مجدود مفرد با گره های میان منحنی تغییر یافته به نقطه یک چهارم عرضه شده توسط Barsoum معمولاً در FEA اتخاذ می شود تا نتایج عددی در مجاورت نوک ترک را اصلاح کنند. عناصر در آغاز به صورت محیطی ایجاد می شوند و سریعاض از نوک ترک طبق شکل 3 ، دور می شوند.
فاکتور شدت فشار همراه با سنتی شکستگی ماده فاکتور شدت فشار بحرانی Kc نامیده می شود، جایی که Ke وابسته ماده است. Kc ماده را فقط می توان با آزمایش به دست آورد. معمولاً جهت با SIF ساختاری استفاده می شود تا برای بحرانی و همین طور سایز ترک بحرانی به دست آید. پس، در این کار، ما از Kc متعلق به IMC اعلام شده از دانشمندان تجربی دیگر استفاده کرده ایم تا با ارزشهای SIF محاسبه شده مان مقایسه کنیم.
3 ) نتایج و بحث
شکل 4 محل / گسترش منطقه تغییر شکل در اتصال لبه ای آلیاژ لحیم را تحت الف ) بارگیری کششی و ب ) بارگیری برش مقایسه می کند. در این تحقیق، محل فرض می شود در لبه چپی لایه IMC تحتانی باشد. بنابراین، از شکل 4b معلوم است که منطقه لحیم نزدیک ترککشندگی نسبتاً زیادتری اعمال می کند. هرچندف با حفظ شرایط مشابه هندسی و بارگیری، مطالعه فعلی بر نحوه تغییر ویژگی های مکانیک شکننگی تمرکز دارد با :
1 ) ترکیب آلیاژ ، به عبارتی مشخصات ماده ای آلیاژ لحیم ؛
2 ) بارگیری، به عبارتی فشار کاربردی ؛
3 ) محل ترک در لایه IMC ، به عبارت دیگر، فاصله از حد فاصل لحیم – IMC ؛
4 ) ضخامت اتصال لحیم، به عبارت دیگر، حجم ماده لحیم درون اتصال.
اثر تمام این فاکتورها طبق ذیل توصیف می شود جایی که دیده می شود که فاصله از حدفاصل بسیار حساس تر معلوم شده است. در حالی که رفرانس [13] نتایج اتصالات لحیم – لب به لبی کشش را شرح می دهد، این مقاله در اتصالات برشی لحیم لب به لب تمرکز دارد.
1 . 3 ) تأثیر فشار کاربردی
شکل 5 ارزشهای SIF لایه های IMC نمونه های تست برش اتصال لبه ای لحیم را با اتصالی مقایسه می کند که ماده لحیم با ماده IMC الاستیک جایگزین می شود. درصد بارگیری ثابت (0.8Mpa در ثانیه) در گستره بارگیری MPa 20 – 6 در C 25 به کار رفت در حالی که ضخامت اتصال حدود mm 1 بود. محل ترک um 1 دور از حدواسط لحیم – IMC بود. در راستای فشار کاربردی، محل موقعیت ترک از حدواسط لحیم و ضخامت لحیم هم معلوم شد در ارزشهای SIF تأثیر عمده دارد که در بخش های بعدی توصیف خواهد شد. منحنی های شکل 5 هم رابط میان SIF ها ( ) را برای SnPb , SAC مقایسه می کند. در نمونه اتصال لبه ای برش اتصالات لحیمی که ماده لحیم با IMC جایگزین می شود، ارزشهای به صورت خطی با کاربردی افزایش می یابد، در حالی که، حضور آلیاژهای لحیم در ارزشهای SIF تغییرات عمده ای ایجاد کرده است - به صورت ناگهانی زیادی می شود و حول MPa 12 – 10 نقطه حداکثری / کوژی را نشان می دهد. این نقطه حداکثری / کوژی در ارزشهای SIF اعتقاد می رود حضور مواد لحیم شدیداً ویسکو الاستیکی باشد در مقایسه با مواد IMC نسبتاً سخت. به علت ارزشهای کمتر مدوله های الاستیکی (E)
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 13 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله تحلیل مکانیک شکستگی در ترکیبات اتصال لحیم میان فلزی در تست برش