[发明专利]一种基于连续损伤力学的微米烧结银芯片粘接层疲劳失效物理模型建模与验证方法

说明书

本发明涉及一种基于连续损伤力学的微米烧结银芯片粘接层疲劳失效物理模型建模与验证方法，包括步骤一：结合温度载荷分析微米银粘接层受力情况；步骤二：根据几何结构受力分析，假设损伤过程近似剪切力单调加载；步骤三：根据代表体积单元微观缺陷图像，参数化非线性损伤过程的损伤变量；步骤四：基于连续损伤力学，构造损伤演化方程；步骤五：根据剪切强度测试结果确定失效阈值，代入测试组数据确定模型的未知参数；步骤六：结合验证组数据，验证模型预测结果。本发明基于连续损伤力学进行微米烧结银芯片粘接层的几何受力分析，外载荷剖面和初始条件确定，应力应变场模型推导，临界失效阈值确定及寿命预测，属于元器件可靠性评价技术领域。

(一)技术领域：

本发明涉及一种微米烧结银芯片粘接层疲劳失效物理模型建模与验证方法，主要基于连 续损伤力学理论，进行微米烧结银芯片粘接层的几何尺寸分析，外载荷加载剖面和初始条件 确定，应力应变场的模型推导，临界失效阈值确定及最终的可靠性寿命预测，属于元器件可 靠性评价技术领域。

(二)背景技术：

目前，由金属银粉末和溶剂制成的烧结银焊膏在一定外力作用可实现180℃～250℃间烧 结，用于芯片互连时其热应力较低且具有较高机械稳定性，热阻和电阻相应较小。以现有新 型的微米银粘接材料为研究对象，一般采用微米级金属颗粒混合方法进行加压或熔融焊接。 此类粘接存在的最大问题是在微米银颗粒混合过程中需要有机溶剂混入以实现足够的粘接强 度，在粘接过程中有机溶剂挥发会产生大量的孔隙，将会影响材料的物理和机械性能，影响 使用微米银烧结的功率器件的性能和可靠性。

然而，烧结银的性能与一般焊料有很大不同，一定程度上与所用银颗粒的大小、形状、 烧结轮廓甚至有机溶剂的类型相关。孔隙率、孔径和金属化层结构影响烧结银的初始剪切强 度和机械性能。针对烧结银此类多孔隙金属材料在温度载荷下的疲劳行为预测，往往应用 Coffin-Manson模型或其修正模型来描述，缺乏对微观孔隙随外载荷加载的演化机制的物理描 述，烧结银这类多孔隙材料的疲劳寿命模型研究由于其复杂的演化机制尚存在空间。

因此，针对微米烧结银芯片粘接层开展基于连续损伤力学理论的疲劳失效物理模型建模 研究，可以实现利用微观孔隙率定量表征损伤量的非线性演化过程，并依据粘接工艺、缺陷 检测图像和外界温度载荷条件，从而实现获取烧结银粘接层可靠性预测结果的目标，使微米 烧结银芯片粘接层的可靠性预测具有更高的准确性、效率和更低的成本。

(三)发明内容：

1、目的：本发明的目的是提供一种基于连续损伤力学理论的微米烧结银芯片粘接层疲劳 失效物理模型建模与验证方法。利用连续损伤力学理论开展烧结银芯片粘接层疲劳失效物理 模型推导，并应用试验数据来验证模型的准确性和合理性。连续损伤力学理论通过研究受到 外载荷的材料的力学变量损伤机制，在典型体积单元的细观尺度上用微裂纹的增长与扩展来 表征损伤，最终通过宏观力学性能退化来确定失效阈值，得到寿命预测结果。该方法可综合 考虑粘接层疲劳损伤机理和内部孔隙群体损伤演化过程，利用粘接材料属性、粘接几何结构 尺寸、温度循环载荷和工艺曲线特点，将试验中能够观测到的微观孔隙率和宏观剪切强度退 化代入模型，从而得到适用于烧结银粘接层在温度循环剖面下的可靠性寿命预测方法。

2、技术方案：本发明基于连续损伤力学理论，结合试验观测到的微观缺陷图像和剪切强 度数据，形成一种微米烧结银粘接层疲劳失效物理模型建模及验证方法，它包括如下步骤：

步骤一：结合外界温度载荷剖面和初始条件，分析微米烧结银粘接结构及受力情况；

步骤二：结合几何结构的受力分析，假设损伤过程为近似单调加载的剪切力作用；

步骤三：结合代表体积单元的微观缺陷检测图像，建立烧结银非线性损伤过程的内参量 损伤变量；

步骤四：基于连续损伤力学基本理论，构造包含损伤变量的损伤演化方程；

步骤五：结合剪切强度测试结果确定失效阈值，代入试验条件和缺陷数据确定模型中未 知参数取值；