焊点热循环疲劳寿命仿真模拟

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<div id="js_content">1 引言
电子产品在使用过程中会经历功率散耗和环境温度的周期性变化，由于封装结构中各种材料的热膨胀系数不同，焊点会经受应力应变的循环变化。另外，由于焊料熔点相对较低，即使在常温下会发生明显蠕变。这两方面因素都会导致焊料的疲劳破坏。
$ ?9 E5 [  Y( }3 R0 i! H在工程应用中利用有限元模型进行封装的焊点热循环寿命分析可以帮助工程师：
/ x& N8 o+ t6 [2 n

• 在产品设计阶段优化产品设计
  
• 预测产品的实际应用环境极限
  + F& P9 D6 E, o' r3 N# e
• 分析产品失效原因
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仿真模拟疲劳寿命预测主要有两个方面的问题：

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• 焊点疲劳模型的描述
  
• 焊点材料模型的描述
  

目前已有一些基于有限元法的焊点疲劳寿命预测方法，其中Darveaux 提出的基于应变能量的方法使用较为普遍。Darveaux 疲劳模型根据焊点非弹性过程中的应变能密度来计算焊点裂纹产生和裂纹扩展至整个焊点的循环次数，把焊点的疲劳寿命看作是裂纹初始产生的循环数与裂纹扩展循环数之和。
5 ^1 `& i6 m" t1 r0 u焊点在热循环中的非弹性变形主要由时间相关的蠕变和时间无关的塑性变形组成。Anand 本构模型能描述金属的时间相关塑性（粘塑性）行为。Darveaux 利用已有的62Sn36Pb2Ag 焊点材料的蠕变实验数据修正了Anand 模型参数，来描述焊点的时间相关及时间无关塑性行为，预测了62Sn36Pb2Ag 焊点的疲劳寿命，误差在+/-25% 之间。
本文将介绍在ANSYS 中利用Anand 材料本构模型和Darveaux 疲劳模型模拟计算焊点热循环疲劳寿命的方法。
3 d- {, Y! L/ K! N9 ]7 I* o2 焊点的Anand 材料本构模型
. T* o& v0 T/ G; r6 `7 ^/ X5 V焊点在使用过程中会产生弹性变形和非弹性变形。弹性变形是可以恢复的，非弹性变形是不可恢复的永久性的变形。非弹性变形又包含时间无关的塑性变形和与时间相关的蠕变。
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金属在其熔点温度的30% 时就有明显的蠕变。焊点的熔点约为180o

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～200 o

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