多孔燒結(jié)銀斷裂機(jī)理理論分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u22037多孔燒結(jié)銀斷裂機(jī)理理論分析概述 1164651.1斷裂理論基礎(chǔ) 199731.1.1多孔燒結(jié)銀斷裂產(chǎn)生的原因 1273751.1.2多孔燒結(jié)銀斷裂分析 2162581.1.2燒結(jié)銀粘結(jié)機(jī)理 519681.2影響銀多孔結(jié)構(gòu)斷裂的參數(shù) 6100191.2.1孔隙率 6173491.1.2比表面積 751491.2.2燒結(jié)溫度和剪切強(qiáng)度 81.1斷裂理論基礎(chǔ)1.1.1多孔燒結(jié)銀斷裂產(chǎn)生的原因納米銀的低溫?zé)Y(jié)過程主要借助于納米銀顆粒的高表面能、通過低溫下的原子表面擴(kuò)散，實現(xiàn)顆粒之間的連接。燒結(jié)過程大概分為三個階段：孔洞的形成。燒結(jié)初期銀原子之間的的相互擴(kuò)散，界面分離產(chǎn)生孔隙。燒結(jié)頸的形成與長大。隨著溫度升高，銀原子的進(jìn)一步擴(kuò)散使得銀顆粒之間距離縮短，從而燒結(jié)頸形成并長大，銀顆粒之間形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?？紫堕]合獨立。燒結(jié)溫度的持續(xù)升高和燒結(jié)頸的長大，最終導(dǎo)致焊膏收縮和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)坍塌，形成獨立收縮的孔隙，完成致密化燒結(jié)[6]?？锥吹男纬伞U(kuò)展和融合在韌性金屬斷裂中起著重要作用，在拉伸試樣的頸部區(qū)域和裂紋尖端區(qū)域，裂紋形態(tài)已經(jīng)存在?？斩吹男魏酥饕怯蓛上囝w粒和基體材料之間的界面分離或兩級顆粒本身的碎裂形成的[8]。納米銀進(jìn)行燒結(jié)時，燒結(jié)銀街頭的剪切強(qiáng)度可達(dá)到25MPa以上，在300℃下老化400h后剪切力仍高于20MPa,在溫度沖擊循環(huán)中，材料在-50℃~250℃范圍內(nèi)可達(dá)800次循環(huán)。燒結(jié)時連接層中有機(jī)物分解以氣體形式逃逸時，會使得氣體逃逸通道變長，從而導(dǎo)致連接層出現(xiàn)裂紋等缺陷，且裂紋會進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂紋缺口尺寸達(dá)到臨界值時，就會發(fā)生斷裂。在剪切載荷的影響下，多孔構(gòu)件中的最大剪切載荷導(dǎo)致納米銀中產(chǎn)生的最大載荷，如果最大載荷達(dá)到相應(yīng)致密材料的容許載荷，則發(fā)生破壞，導(dǎo)致多孔體完全破壞造成整體性失效[10]。由于特定的燒結(jié)機(jī)理，隨機(jī)分布的孔隙不可避免地存在于燒結(jié)接頭的微觀結(jié)構(gòu)中，這將顯著影響材料性能(即機(jī)械、熱性能等)，并導(dǎo)致可能的可靠性問題。已發(fā)表的研究得出結(jié)論，球形和圓柱形空隙對CSP封裝的耐熱性有顯著影響，孔隙率隙率的增加會導(dǎo)致焊料層剪切強(qiáng)度的降低，并且由于總承載能力的降低，空隙會大大縮短疲勞壽命[9]。專家們研究了裂紋尖端和臨近孔洞之間的相互作用，并計算了平面拉伸的臨界COD（裂紋張開位移）值，同時考慮了夾雜物的尺寸和間距。確定了裂紋頭鈍化后的最終變形將在裂紋前端產(chǎn)生高拉伸區(qū)，并最終導(dǎo)致斷裂。多孔燒結(jié)銀聚合模型的斷裂過程是在外力作用下夾雜物或第二相粒子與基體界面處形成微裂紋的過程。相鄰的微裂紋連接在一起形成微孔，形成相界和大量壓痕，然后孔隙長大，連接最終斷裂[13]。1.1.2多孔燒結(jié)銀斷裂分析斷裂是材料或構(gòu)件力學(xué)性能的基本表征，在斷裂前經(jīng)過塑性變形后，材料的斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂，在不同的材料和條件下，循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞速率可以得到不同的結(jié)果高溫蠕變斷裂和環(huán)境應(yīng)力腐蝕斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂。在恒載或增載條件下，固體材料的斷裂機(jī)制有四種[12]：（1）解理斷裂機(jī)制：拉伸引起原子間的斷裂。（2）塑形孔洞長大斷裂機(jī)制：孔洞長大變粗，或頸部完全通過塑性流動。（3）蠕變斷裂機(jī)制：空穴通過沿應(yīng)力方向擴(kuò)散原子或空穴而長大并變得粗糙。（4）應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)制：拉伸速率參與了裂紋尖端的局部化學(xué)侵蝕。納米銀在燒結(jié)過程中受到剪切強(qiáng)度以及溫度的影響產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)斷裂屬于韌性斷裂，其在斷裂前發(fā)生的明顯的塑性形變。結(jié)構(gòu)和材料的破壞是一個漸進(jìn)的過程，不會突然發(fā)生，它是損傷逐漸累積的結(jié)果，損傷是指材料或結(jié)構(gòu)在外界應(yīng)力的影響下，如果損傷發(fā)展到一定程度，由于微結(jié)構(gòu)誤差（如微裂紋、微孔等）引起的變化，微裂紋、微孔將發(fā)展為宏觀裂紋，結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低，承載力最終喪失。斷裂機(jī)理主要研究斷裂過程中結(jié)構(gòu)或材料的宏觀和可見部分，即斷裂物體的變形和裂紋擴(kuò)展[18]。Tvergaard和Neeedleman(1986)分析了裂紋尖端的延性斷裂問題。他們假設(shè)在空洞的前部沒有預(yù)先存在的空隙，但是只有少數(shù)空洞核心受到應(yīng)力的控制，并且包裹體之間的基體材料被認(rèn)為是具有應(yīng)變控制孔洞的Gurson材料，核心孔洞受應(yīng)變控制，在小尺度屈服條件下，隨著外載荷的增加，缺口開始鈍化，裂紋點附近的應(yīng)力控制夾雜物開始核化，但是這個區(qū)域的張力還是比較小的，不足以促進(jìn)受應(yīng)變控制的小孔的形核，之后隨著局部應(yīng)變的增加，受應(yīng)變控制的兩階段小顆粒開始在狹縫點和由大夾雜物成核的孔隙之間逐漸形成，隨著剪切軌道上小孔的熔化，裂紋從原來的裂紋點擴(kuò)展到第一個大夾雜物，然后擴(kuò)展的裂紋點與下一個夾雜物相互作用，使蟲洞再次擴(kuò)展。數(shù)值計算表明，裂紋與裂紋點呈45度角，角向大孔的發(fā)展最快，裂紋擴(kuò)展路徑與夾雜物和兩級粒子的分布及其形核過程有關(guān)。在實際觀察中發(fā)現(xiàn)，韌性材料的裂紋斷口一般是不均勻的[13]。（1）Tvergaard和Neeedleman（1986）使用有限元法計算應(yīng)力面斷裂模量，以便將斷裂微觀結(jié)構(gòu)的變化與宏觀斷裂力學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，撕裂模量定義為：（1）只要通過數(shù)值計算得到J的積分曲線，就可以估計出裂紋擴(kuò)展初期J的積分臨界值。Ashby和Maiti是第一批研究多孔材料斷裂硬度的學(xué)者。在K場的延伸度遠(yuǎn)大于多孔材料孔隙尺寸的前提下，提出了KC斷裂的有效硬度，并用緊致線連續(xù)彈性體柵欄區(qū)的等效應(yīng)力場計算了裂紋區(qū)離散孔壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力多孔材料槽口的尖端。然后假設(shè)靠近龐塔達(dá)芬達(dá)區(qū)域的蟲洞壁中的最大拉力必須達(dá)到牽引材料斷裂的斷裂強(qiáng)度[8]。初始裂紋尖端不會最先斷裂，而是在距初始裂紋點一定距離處張開，然后向兩側(cè)延伸。斷口上其他的部分對應(yīng)著最終斷裂區(qū)，呈現(xiàn)出纖維狀和不規(guī)則特征。這一斷裂過程也是原子面被拉開的過程，外力作的功消耗在斷口上，即為斷口的表面能。設(shè)想完整的材料被解理面分成兩半，其解理面的晶面間距為a0,沿載荷方向發(fā)生相對位移，當(dāng)位移很大時，位移和作用力并不是線性關(guān)系。而原子間的相互作用力最初是隨X的增大而增大，達(dá)到（2）峰值σm（2）式中，λ為正弦曲線波長，x為原子間距，σm是原子斷開時的最大應(yīng)力，即材料的理論斷裂應(yīng)力[12]。（3）（3）（4）令單位面積的表面能用γs來表示，在拉斷過程中，應(yīng)力所作的功等于表面能2γs（4）（5）（5）（6）式中a0（6）（7）（7）把材料的物性參數(shù)E、γs、a0分別代入（7）中，可求得理論斷裂強(qiáng)度（斷裂應(yīng)力）[14]。1.1.2燒結(jié)銀粘結(jié)機(jī)理由于納米銀的低溫?zé)Y(jié)過程會涉及到燒結(jié)覆蓋的問題，因此焊料夾中有機(jī)物的揮發(fā)是否完全會影響燒結(jié)后連接的強(qiáng)度和質(zhì)量。在低溫?zé)Y(jié)過程中，納米銀焊料夾的有機(jī)成分應(yīng)揮發(fā)，以確保在最終燒結(jié)過程中只剩下銀，保證納米銀漿在燒結(jié)前不會因有機(jī)物的揮發(fā)而在納米銀顆粒之間產(chǎn)生大的孔隙，結(jié)合力隨結(jié)合面積的不同而不同。不同的粘結(jié)面積時，連接處的粘結(jié)強(qiáng)度也有所不同。對于各類粘結(jié)面積下斷口中心區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行觀察，可以看出，隨著連接區(qū)面積的增大，大部分中心區(qū)的燒結(jié)質(zhì)量明顯下降[3]。結(jié)果表明，納米銀材料在燒結(jié)過程中的致密化行為如圖3（a）所示，晶粒尺寸達(dá)到微米級，孔隙率低，基本獲得連續(xù)致密體。隨著結(jié)合面積的增加，圖3中的（b）、（c）、（d）氣孔增多，大部分銀層燒結(jié)不好，連接氣孔不閉合，氣孔占體積的一部分，不能形成致密的燒結(jié)體，導(dǎo)致晶粒接觸面積小，剪切力低，剪切強(qiáng)度相應(yīng)的也處于較低水平。(b)(c)(d)圖3.各種粘結(jié)面積下斷面處的SEM圖同時在該斷口中心區(qū)域，在燒結(jié)過程中仍有大量的部分納米顆粒存在，顆粒尺寸分布較為分散，部分有機(jī)物揮發(fā)完全的顆粒間形成縮頸連接，揮發(fā)慢的部分與大顆粒間難以形成縮頸連接，當(dāng)連接面積增大時，孔隙率增大，影響粘結(jié)質(zhì)量。在溫度循環(huán)載荷下，粘結(jié)強(qiáng)度也有所變化。在循環(huán)溫度載荷作用下，會產(chǎn)生較大的層間熱應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)合力降低，從而引起粘結(jié)強(qiáng)度的降低。溫度循環(huán)次數(shù)增加，斷面處材料的孔隙率也呈上升趨勢。在較高溫度下，會探測到另外兩種類型的裂紋：（1）第一個存在于三角形點（三個顆粒邊界相遇），在高溫下，當(dāng)顆粒邊界移動時，應(yīng)力集中在三角形點上，這種類型的裂紋稱為ω型裂紋。（2）第二類裂紋發(fā)生在低應(yīng)力、高溫條件下，在晶粒與拉伸軸形成900交界處形成小空洞。這種類型的裂紋稱為γ型裂紋。ω型和γ型的微孔都有可能出現(xiàn)。在溫度循環(huán)過程中，孔隙會不斷積累，破壞界面結(jié)合力隨頸部機(jī)制減弱。這可以解釋燒結(jié)銀接頭在經(jīng)過一定次數(shù)的溫度循環(huán)后，其受力減小的現(xiàn)象。另外，在燒結(jié)機(jī)理不完全的情況下，銀在溫度循環(huán)下的硬化導(dǎo)致的燒結(jié)破碎是一種半多孔材料。在非燒結(jié)機(jī)械循環(huán)和溫度循環(huán)中，微孔洞的形成與顆粒邊界有關(guān)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化，燒結(jié)銀相對于顆粒邊界的強(qiáng)度減弱[15]。銀的變形取決于微孔隙的生長。壓力越高，微孔隙生長越快。在溫度循環(huán)過程中，層間存在明顯的熱應(yīng)力，導(dǎo)致孔隙率迅速增加，粘結(jié)強(qiáng)度急劇下降。1.2影響銀多孔結(jié)構(gòu)斷裂的參數(shù)孔隙結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)是孔隙率、孔徑、孔隙率分布等設(shè)計參數(shù)，它們對材料的力學(xué)性能和不同性能有著決定性的影響。因為氣孔是由粉末顆粒的堆積、壓實和燒結(jié)引起的；因此，生料粉體的物理化學(xué)性質(zhì)，特別是粉體顆粒的大小、分布和形狀，是決定其多孔結(jié)構(gòu)和最終性能的主要因素?？紫堵士紫堵适侵付嗫孜⒖椎目傮w積與多孔介質(zhì)總體積的比值，是影響流體在多孔介質(zhì)中傳輸性能的重要參數(shù)，材料的孔隙率或密度直接反映了材料的致密性，材料的高孔隙率表明壓實度低?？紫堵士煞譃閮煞N類型：多孔介質(zhì)中相互連接的微空穴總體積與多孔介質(zhì)外部體積的比例稱為有效孔隙率,以φ_e表示；多孔介質(zhì)中所有微孔的總體積和多孔介質(zhì)外表面的體積之和稱為絕對孔隙度或總孔隙率，以φ_T表示。所謂孔隙率通常是指有效孔隙率，但書寫方便，一般直接以φ表示?？紫堵逝c多孔介質(zhì)固體顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)和排列有關(guān)。（8）（8）式中V0是指材料在自然狀態(tài)下的體積，或稱表觀體積，單位為cm3或m3；ρ0為材料的體積密度，單位為g/cm3或kg/m3;V是材料的絕對密實體積，單位為cm3或m3;ρ為材料密度，單位為g/cm3或kg/m3。

材料內(nèi)部除了孔隙的多少以外，除了孔隙率之外，孔隙率也是影響材料性能的重要因素之一?？资欠忾]在材料內(nèi)還是連接在材料表面外，第一個是封閉的孔隙，最后一個是開放的孔隙，有的孔隙被分離成材料的獨立部分，有的孔隙在材料中相互連通。材料中孔隙的大小和分布的均勻性是材料中孔隙的特征[6]。孔隙率的測定方法有：（1）直接測量法：測量多孔樣品的表觀體積和同質(zhì)量無孔樣品體積。（2）光學(xué)方法：對于隨機(jī)結(jié)構(gòu)，整體的孔隙率應(yīng)該和某一斷面的孔隙率相等，因此可以通過顯微鏡觀察材料斷面的孔隙率。（3）計算圖論方法：使用工業(yè)CT掃描的辦法，創(chuàng)立包括孔隙的樣品外在和內(nèi)在幾何圖，然后使用計算機(jī)軟件進(jìn)行缺陷分析。（4）浸沒法：在真空條件下，將多孔樣品浸入容易滲透入樣品孔隙的液體中。不同溫度的燒結(jié)處理，所得的銀多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率也有所不同。表1.燒結(jié)溫度對孔隙率的影響燒結(jié)溫度/℃孔隙率/%76098.1079098.2182098.4285098.36孔隙率大說明該物體不夠致密，顆粒比較大，強(qiáng)度上有問題，在載荷的作用下容易斷裂，嚴(yán)重影響材料的使用。除此之外，孔洞的分布也對失效有影響，孔洞分布的隨機(jī)性越大，裂縫變形越小。在一定孔隙率下，裂縫損失最大[8]。1.1.2比表面積比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積，另一方面，它反映了多孔材料的孔隙率與材料的密度和孔隙率直接相關(guān)。比表面積越大，孔隙率越高，密度越低。當(dāng)使用多孔材料，如催化反應(yīng)、傳熱、生物材料和各種過濾系統(tǒng)時，有必要使用和了解材料表面的內(nèi)表面。比表面積大，隔音效果好，催化反應(yīng)快，有利于生物材料和受體的融合和生長，而且過濾材料的除塵能力高。比表面積的測試方法主要有：B.E.T法（氣體吸附法）、氣體透過法、泵壓法[11]。（1）B.E.T法：B.E.T理論是1938年布魯納爾(Brunauer)、艾美特(Emtett)、泰勒(Teller)等人提出了整體吸附理論，并考慮了對被吸附分子的連續(xù)吸附，簡稱B.E.T理論。B.E.T吸附等溫線法，目前被公認(rèn)為測量比表面積的標(biāo)準(zhǔn)方法。用B.E.T法測定比表面積，吸附溫度在氮氣液化點(-195°C)附近，低溫可以避免化學(xué)吸附,相對壓力控制在，0.05Pa~0.35Pa之間，低于0.05Pa時，不易建立多層吸附平衡，高于0.35Pa時，發(fā)生毛細(xì)凝聚作用，吸附等溫線將偏離直線。方程為：（9）式中V為氣體吸附量，單位ml；Vm為單分子層飽和吸附量，單位ml；P為吸附質(zhì)壓力，單位Pa；P0為吸附質(zhì)飽和蒸氣壓，單位Pa；C是常數(shù)。將P/V(P0-P)對P/P0作圖線性回歸，Oex直線，且1/(截距+斜率)=Vm，其中截距為1/VmC，斜率為(C-1)/Vm（9）（2）泵壓法：根據(jù)毛細(xì)現(xiàn)象，當(dāng)液體與固體接觸時，表面張力的作用使液體的表面減小到最小，液滴幾乎變成球形，因此液體的粘合層沿固體表面連接。液體與材料的浸潤現(xiàn)象與浸潤角有關(guān)，接觸角的角度影響表面張力，從而影響通道中的流體。當(dāng)液體被施加一定的壓力時，外力可以克服表面張力產(chǎn)生的阻力，通過測量孔隙吸收的液體體積與作用力的比值，可以確定孔隙的大小和比表面積。（3）透過法：透過法是一種通過多孔材料的透過系數(shù)來生成表面的方法。它是基于在穩(wěn)定氣流條件下，床層的粒徑、形狀和有效孔隙率對流體通過粉末床的轉(zhuǎn)移速率的影響。透過率或流速是容易測定的，只要找到它們與粉末比表面積之間的定量關(guān)系，就可以知道材料的比表面積。燒結(jié)溫度和剪切強(qiáng)度燒結(jié)溫度是指物料的孔隙率達(dá)到最小、收縮最大、產(chǎn)品最致密、性能最佳或物料成為固態(tài)集合體的溫度。影響納米銀的力學(xué)性能。一般來說，燒結(jié)溫度越高，原子的擴(kuò)散速度和塑性流動速度越快，材料的致密性和孔隙流動性越好，材料的力學(xué)性能得到改善。一般來講，燒結(jié)溫度低于物料的熔點或熔融范圍。在一定溫度范圍內(nèi)，燒結(jié)溫度越高，原子倍增能越強(qiáng)。與燒結(jié)相比，燒結(jié)球的形成和發(fā)展速度更快，球的孔隙率和收縮率也更快。提高燒結(jié)溫度可以提高零件的