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湿热导致电子元件封装脱层断裂的分析
发布时间:2015/12/28 15:29:21     来源:睿悟科技    浏览次数:924

        湿热导致电子元件封装脱层断裂的分析王杨帆,陈大鹏(西南交通大学工程科学研宄院,四川成都610031)影响,引发电子元件的脱层断裂。对于湿热敏感的高分子材料,当考虑其由湿热的弹性断裂问题时,裂尖的能量释放率可以表示为一个积分表达式。运用有限元法,利用能量释放率的表达式,对不同的裂纹尺寸和封装材料厚度,计算了在不同焊接温度下能量释放率的曲线。对比能量释放率的试验数据,对电子元件的断裂进行了预测。
 

  近年来,电子元件中采用了大量的以高分子材料为基体的复合材料。由于高分子材料的亲水性,使得电子元件易发生由湿热引发的断裂破坏。在电子元件的高温焊接过程中,受到湿气侵入的封装材料常发生‘爆米花“式的断裂(即不同的材料层间发生瞬时脱层断裂)。在焊接前,湿气由高聚物的表面向内扩散,分布在高聚物封装材料中。在焊接时,环境温度高达250 *q高聚物封装材料开始脱水,水蒸气进入粘接界面上的初始缺陷,产生高内压,从而引起交界面的脱层,进而裂纹迅速扩展产生’爆米花”式的断裂,使电子兀件彻底破坏由能量平衡原理导出了一个材料断裂破坏的判据。1956年,Irwin对其进行了修正和完善,并提出了度量材料断裂韧性的能量释放率的概念,在材料的断裂分析中广泛使用。1997年,Park:61等对电子元件脱层断裂进行了分析,假设了一组初始裂纹中的蒸汽压力,分别计算了在温度单独作用,蒸汽单独作用以及温度和蒸汽压力共同作用下的裂尖能量释放率,但是没有考虑湿场的影响。Lam等f3设内部蒸汽压力为饱和蒸汽压,利用薄膜起泡分析,对电子元件1滓mUtr西南交通大学学报脱层断裂的上限进行了研究。本文中则考虑湿热场影响,用能量释放率作为断裂判据,对电子元件脱层断裂问题进行分析。结合由试验得到的能量释放率参数,对裂纹扩展作出了合理的判断。
 

  1有湿、热应力和裂纹表面力作用的能量释放率率的表达式其中表示湿热应变能量释放率的表达式影响时,式(5)右端的面积分将消失。由于G包含线积分和面积积分,将其表示成其中Gl和Ga分别代表式()等号右边的第一项线积分和第二项面积分。
 

  2数值算例及比较对于有湿热影响的弹性材料,采用式(5)计算裂尖的能量释放率时,为验证选取不同路径计算出的能量释放率相等,选取以下问题进行比较。如所示,板宽度为B长度为2L(L= 2B),裂纹的长度为a(a=B/2),温度0和湿度c沿坐标X1分别呈如下线性分布(温度为0 *C右边界上的湿度Ce= 0.04;湿膨胀系数(3=2.6X103.取板沿长度方向的一半作为计算模型。网格划分和积分路径选取如中所示。采用8节点的平面应变单元,用大型有限元软件ABAQUS进行计算。
 

  注意到在平面应变情况下,有下述关系K2 2量释放率积分用断裂因子表示,并用最大湿热应力计算模型图示针对有热应力的弹性断裂问题,Wilson等。


 

 
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