蠕变诱导的锡须生长中的应力松弛：氧化物破坏模型优化

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：晶须的生长是一种独特的蠕变现象，在该过程中，应力的产生与释放同时发生。所以，通过由晶界自扩散机制引起的原子重新排列，其由化学反应在锡中产生的压应力在室温下也可被释放。因此在施加载荷的端面和其侧面之间就存在着一个应力梯度。但是，一个均匀的压应力场是不会造成蠕变现象的。因此，我们需要一个在锡镀层内产生压应力梯度的机制。因此，在氧化物破损模型中便可建立起应力梯度，蠕变或晶须生长也会随之发生。

晶须的生长是一种独特的蠕变现象，在该过程中，应力的产生与释放同时发生。所以我们必须要考虑应力的产生与应力的释放这两种动态过程，以及伴随它们的不可逆过程。晶须的生长可分为两个过程：第一个过程是铜原子从引线框架扩散进入锡镀层，并在晶界处生成Cu6Sn5的析出相，而该动态过程在镀层中产生了压应力；第二个过程是应力释放，锡原子从受应力区域扩散进入晶须根部的零应力区域。第二个过程的扩散距离要比第一个过程长得多，且第二个过程的扩散率也要慢得多，因此第二个过程通常控制着晶须的生长速率。

因为锡与铜之间的反应在室温下发生，所以只要还有未充分反应的锡与铜，该反应就会一直持续下去。随着Cu6 Sn5的不断生长，锡中的应力也将不断增加，但是该应力不能永远地累积下去，它必须得到释放。在图6.4中，在体积V内增加的晶面必须迁移出该体积，否则一些锡原子就一定会从该体积内向零应力区域扩散。

锡在232℃熔化，室温对于锡来讲是一个相对较高的温度，因此室温下锡沿其晶界的自扩散过程是十分迅速的。所以，通过由晶界自扩散机制引起的原子重新排列，其由化学反应在锡中产生的压应力在室温下也可被释放。通过移除垂直于应力方向的锡原子层，弛豫现象便能够发生，且这些锡原子可以沿晶界扩散到锡须根部的零应力区域以供锡须生长。这是一个由应力梯度所驱动的蠕变过程。

值得注意的是，缓慢的蠕变过程是由应力梯度所驱动的，而不是应力。通常蠕变被定义为一个在固定载荷下以时间为变量的变形过程。如果我们取一根长方形的棒体材料，并在其两端施加一个固定载荷，那么它便会发生蠕变现象。但是，在该棒体材料的四个侧面的自由表面法向量方向上是没有任何应力的。因此在施加载荷的端面和其侧面之间就存在着一个应力梯度。正如Nabarro-Herring模型所述，蠕变中原子迁移的驱动力为应力梯度。在流体的静拉力或压力下，原子可能会发生无规则运动，但是不会存在蠕变现象。铜原子扩散进入锡镀层时会产生压应力。但是，一个均匀的压应力场是不会造成蠕变现象的。因此，我们需要一个在锡镀层内产生压应力梯度的机制。在本章6.4节中，我们已经讨论过表面氧化物的破损能够产生无应力自由表面。因此，在氧化物破损模型中便可建立起应力梯度，蠕变或晶须生长也会随之发生。

此外，由于该应力梯度，蠕变过程是不会在恒压条件下发生的，因此我们不能用吉布斯自由能变量的最小化来描述该蠕变过程。这是一个不可逆的（热力学）过程。

蠕变诱导的锡须生长中的应力松弛：氧化物破坏模型优化

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