宏—微观尺度下SAC0307合金的动态力学行为研究

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随着现代信息科技的飞速发展,微电子封装领域内材料及加工工艺日新月异,其中低银无铅焊料SAC0307作为电子元件与电路基板之间的互连材料,其剪切强度、润湿性、延展性和导电性等相较传统Sn-Pb焊料具有综合性优势,同时能满足电子封装领域彻底无铅化的环保要求,故可以替代传统含铅焊料逐渐发挥重要作用。但高应变率等极端荷载下SAC0307的力学行为特征研究还不够充分,其微尺度下应变率相关的塑性流动及硬化特征更是未见报道,这大大限制了其实际发展应用。另外随着便携式电子产品功能密度的提升,结构焊点材料微尺度的设计与制造需求与日俱增,但目前缺乏可以对材料微尺度下动态力学性能进行有效评价的实验测试手段和基础理论。为此,本文通过开展动态测试及有限元计算,旨在为材料在电子封装领域中的推广使用提供基础试验数据,同时为金属材料微尺度下动态力学性能研究提供新型实验测试手段和基础理论。本文首先通过对SAC0307开展不同应变率下的静/动态压缩测试,发现应变率的升高会导致材料强度的增加。其中在准静态荷载作用下,应变率的升高会导致材料塑性流动阶段应力值升高速率的加快,而在动态荷载作用下应变率的升高主要导致材料塑性应变的增大,对流动应力数值的影响并不明显。同时发现,导致动态测试中材料塑性应变改变的根本原因是应变率的大小,而并非是加载时间的长度。其次,利用测试数据拟合得到SAC0307的Johnson-Cook本构模型参数。在对动态本构模型描述材料率相关力学行为的能力进行理论分析的基础上,基于SAC0307在动态压缩过程中表现出的绝热温升现象对模型参数进行了修正。最后,对自行设计的动态压入实验装置进行了尺寸优化,并在此基础上建立了SAC0307动态压入过程的有限元模型。提出了一种适用于金属材料动态压入测试的力学计算模型,利用有限元计算方法对该力学计算模型表征的动态压入测试得到的载荷-位移关系进行了有效性验证,发现微尺度下SAC0307的塑性流动能力会随着应变率的升高而增强,在加载条件固定的情况下随着压入深度的增加材料会表现出一定硬化,而且压痕扩展速率越大则硬化特征表现越为明显。
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