热循环条件下光纤连接器金锡焊点性能研究
发布时间：2021-06-16 23:15
针对光纤连接器在特殊环境应用中经受极端高温和极端低温交替变化,在焊缝处易产生疲劳裂纹、影响焊点可靠性的问题,建立了有限元模型,采用黏塑性本构方程描述金锡焊点的力学行为,模拟光纤连接器在服役过程中连接界面处的应力应变场,探究不同结构参数对焊点应力和变形的影响.结果发现:裂纹萌生的危险点位于下端面焊料层与可伐合金底座的交界面上,其累积非弹性应变值最大为1.22×10-3;裂纹往往由上下端面萌生,逐渐向中心扩展,最终贯穿焊料层.通过比较不同结构参数对焊点应力应变影响,发现当焊料层厚度为50μm,即底座孔内径为1.49mm,插针外径为1.39mm时,焊料层中应力和累积非弹性应变值最小,发生疲劳损伤的可能性也最小.
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
热循环加载曲线
置多个子步，每个子步步长为10s．在1/4模型的切分面上施加对称约束，同时固定底面中心点．图2热循环加载曲线2模拟结果与分析根据以上几何模型及边界条件，建立光纤连接器密封结构有限元模型，通过有限元分析，找到热循环载荷作用下互连界面发生疲劳破坏的危险点，根据危险点的等效应力和累积非弹性应变值大小来判断互连界面发生疲劳破坏的可能性，并进行结构优化．2.1焊缝应力应变分析保持底座孔内径D=1.45mm，插针外径d=1.39mm，焊料层厚度δ=30μm(模型A)．图3为热循环结束后连接结构横截面形变云图，由于各部分材料的热膨胀系数不匹配，在互连界面处产生较大的变形，焊料层端面非弹性应变最大为1.22×10-3．焊料在热循环过程中产生的非弹性应变包括与时间无关的塑性应变和与时间相关的蠕变变形，整个历程中产生的总应变可以表示为弹性应变、塑性应变与蠕变的总和，如下式所示totalelielelplcrpεεεεεε，(1)式中：totalε为总应变；elε为弹性应变；ielε为非弹性应变；plε为塑性应变；crpε为蠕变应变。可伐合金底座在热循环过程中只发生弹性变形，热循环结束时该部分的变形基本得以恢复，无应变累积，对互连结构的热疲劳寿命无影响．焊料层具有黏塑性特性，黏塑性变形是热激活的、不可恢复的，随热循环次数增加，焊料层的非弹性应变不断累积，最终导致互连结构疲劳失效．图4为焊料层非弹性应变云图，由图可见：由上端面至下端面，焊料层的累积非弹性应变值先减小再变大，焊料层中非弹性应变值最大的节点为Node314685，位于下端面焊料层与可伐合金底座的交界面上．疲劳裂?
员硎疚??杂Ρ洹⑺苄杂Ρ溆肴?变的总和，如下式所示totalelielelplcrpεεεεεε，(1)式中：totalε为总应变；elε为弹性应变；ielε为非弹性应变；plε为塑性应变；crpε为蠕变应变。可伐合金底座在热循环过程中只发生弹性变形，热循环结束时该部分的变形基本得以恢复，无应变累积，对互连结构的热疲劳寿命无影响．焊料层具有黏塑性特性，黏塑性变形是热激活的、不可恢复的，随热循环次数增加，焊料层的非弹性应变不断累积，最终导致互连结构疲劳失效．图4为焊料层非弹性应变云图，由图可见：由上端面至下端面，焊料层的累积非弹性应变值先减小再变大，焊料层中非弹性应变值最大的节点为Node314685，位于下端面焊料层与可伐合金底座的交界面上．疲劳裂纹易在高应力应变区域形成，随着热循环周期增加，该区域不可恢复的非弹性应变不断累积，当其累积到一定程度时，会导致焊料层中裂纹的萌生和扩展，在裂纹扩展到一定程度后，便会引发疲劳失图3热循环结束后连接结构形变图图4热循环结束后焊料层非弹性应变云图
【参考文献】：
期刊论文
[1]月面热环境的反演研究[J]. 任德鹏,贾阳,彭松. 宇航学报. 2018(04)
博士论文
[1]80Au/20Sn钎料合金力学性能研究[D]. 张国尚.天津大学 2010
硕士论文
[1]无铅焊料中孔洞的表征及其对损伤与失效的影响研究[D]. 朱玲玲.浙江工业大学 2016
[2]智能功率模块可靠性的有限元仿真研究[D]. 王勇.上海交通大学 2015
[3]空间热循环和辐照环境对LF6铝合金焊接组织及性能的影响[D]. 赵大为.河南理工大学 2010
[4]在激光二极管LD封装中Au80Sn20焊点的可靠性研究[D]. 范琳霞.天津大学 2007
本文编号：3233972
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
热循环加载曲线
置多个子步，每个子步步长为10s．在1/4模型的切分面上施加对称约束，同时固定底面中心点．图2热循环加载曲线2模拟结果与分析根据以上几何模型及边界条件，建立光纤连接器密封结构有限元模型，通过有限元分析，找到热循环载荷作用下互连界面发生疲劳破坏的危险点，根据危险点的等效应力和累积非弹性应变值大小来判断互连界面发生疲劳破坏的可能性，并进行结构优化．2.1焊缝应力应变分析保持底座孔内径D=1.45mm，插针外径d=1.39mm，焊料层厚度δ=30μm(模型A)．图3为热循环结束后连接结构横截面形变云图，由于各部分材料的热膨胀系数不匹配，在互连界面处产生较大的变形，焊料层端面非弹性应变最大为1.22×10-3．焊料在热循环过程中产生的非弹性应变包括与时间无关的塑性应变和与时间相关的蠕变变形，整个历程中产生的总应变可以表示为弹性应变、塑性应变与蠕变的总和，如下式所示totalelielelplcrpεεεεεε，(1)式中：totalε为总应变；elε为弹性应变；ielε为非弹性应变；plε为塑性应变；crpε为蠕变应变。可伐合金底座在热循环过程中只发生弹性变形，热循环结束时该部分的变形基本得以恢复，无应变累积，对互连结构的热疲劳寿命无影响．焊料层具有黏塑性特性，黏塑性变形是热激活的、不可恢复的，随热循环次数增加，焊料层的非弹性应变不断累积，最终导致互连结构疲劳失效．图4为焊料层非弹性应变云图，由图可见：由上端面至下端面，焊料层的累积非弹性应变值先减小再变大，焊料层中非弹性应变值最大的节点为Node314685，位于下端面焊料层与可伐合金底座的交界面上．疲劳裂?
员硎疚??杂Ρ洹⑺苄杂Ρ溆肴?变的总和，如下式所示totalelielelplcrpεεεεεε，(1)式中：totalε为总应变；elε为弹性应变；ielε为非弹性应变；plε为塑性应变；crpε为蠕变应变。可伐合金底座在热循环过程中只发生弹性变形，热循环结束时该部分的变形基本得以恢复，无应变累积，对互连结构的热疲劳寿命无影响．焊料层具有黏塑性特性，黏塑性变形是热激活的、不可恢复的，随热循环次数增加，焊料层的非弹性应变不断累积，最终导致互连结构疲劳失效．图4为焊料层非弹性应变云图，由图可见：由上端面至下端面，焊料层的累积非弹性应变值先减小再变大，焊料层中非弹性应变值最大的节点为Node314685，位于下端面焊料层与可伐合金底座的交界面上．疲劳裂纹易在高应力应变区域形成，随着热循环周期增加，该区域不可恢复的非弹性应变不断累积，当其累积到一定程度时，会导致焊料层中裂纹的萌生和扩展，在裂纹扩展到一定程度后，便会引发疲劳失图3热循环结束后连接结构形变图图4热循环结束后焊料层非弹性应变云图
【参考文献】：
期刊论文
[1]月面热环境的反演研究[J]. 任德鹏,贾阳,彭松. 宇航学报. 2018(04)
博士论文
[1]80Au/20Sn钎料合金力学性能研究[D]. 张国尚.天津大学 2010
硕士论文
[1]无铅焊料中孔洞的表征及其对损伤与失效的影响研究[D]. 朱玲玲.浙江工业大学 2016
[2]智能功率模块可靠性的有限元仿真研究[D]. 王勇.上海交通大学 2015
[3]空间热循环和辐照环境对LF6铝合金焊接组织及性能的影响[D]. 赵大为.河南理工大学 2010
[4]在激光二极管LD封装中Au80Sn20焊点的可靠性研究[D]. 范琳霞.天津大学 2007
本文编号：3233972
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