界面材料本构关系及界面的仿生强化研究

• 作 者: 张宇明
• 机 构: 上海交通大学
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 界面材料 电子封装芯片 仿生强化 本构关系 蠕变性能 疲劳破坏

电子封装芯片、仿生复合材料等结合材料将不同的材料按一定规律组合在一起，在整体上得到单一材料所不具有的多功能特性。因其结合面附近材料的性质存在差异，结合材料的破坏一般始于界面层失效或界面剥离。无论是界面层失效还是界面剥离，整个结合材料将无法再满足工程应用对其功能和可靠性的要求。而解决其可靠性问题，一方面涉及到如何描述新材料中界面层的力学特性;另一方面关系到如何从复杂的材料组合中选择优化的材料层数、组合顺序以及界面连接形式。　　
因此，本文就以上问题提出以下创新点和解决途径:　　
文章先以电子封装芯片中的界面层材料—Pb5Sn、Sn3Ag0.5Cu钎料为例，在静态拉伸中得到两种钎料在-40℃～120℃范围内的等效弹性模量和屈服强度。参考静态拉伸测试的结果，通过系统的蠕变测试得到钎料的蠕变性能，尤其是以往常被忽略的钎料在低温区的蠕变性能。　　
接着以热疲劳实验考察电子封装芯片中界面层的低周疲劳破坏。在热循环荷载下，疲劳裂纹从钎料层的界面端附近开始起裂，通过测量芯片的管压降并辅以微观结构观察的方法，得出基于工程应用和结构完整性的芯片裂纹萌生寿命。运用已有的数值模拟方法，拟合出预测芯片疲劳寿命的Coffin-Manson经验公式。　　
基于前面两步的工作，在传统的双曲正弦蠕变模型和幂函数蠕变模型的基础上提出新的加权形式的本构关系。该本构关系系统考虑了钎料在复杂应力、温度组合下的蠕变规律，特别是已有研究中被忽略的低温蠕变规律。通过数值模拟分析，论证了传统的本构关系在预测低温蠕变和低温循环寿命时可能存在的误差。　　
最后，就界面连接问题提出了一种全新的界面仿生强化方法。这一方法的灵感来自生物材料本身奇特的界面构造。通过仿生设计出几种具有代表性的界面几何造型，从而将界面两侧的刚性相和柔性相锁定在一起。在有限元分析中系统地讨论了几何造型的形状、尺寸、分形结构等因素对结合材料整体强度的影响。研究发现，即使界面处于无粘结力、无摩擦的最差状态，仅通过几何造型锁定的界面可让模型在单向拉伸荷载下达到理想强度的70％。