مجله ی مهندسی مکانیک شریف

مجله ی مهندسی مکانیک شریف

بهبود پیش بینی شکست سطحی در اتصالات لحیم بورد الکترونیک با در نظرگرفتن نقش ترم تنش T تحت بارگذاری مود ترکیبی I/II

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشکده علوم و فناوری هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2 دانشگاه تهران، دانشکدگان علوم و فناوری های میان رشته ای
3 پژوهشگاه فضایی ایران
10.24200/j40.2026.68157.1757
چکیده
در طراحی اجزای سامانه‌های فضایی، جلوگیری از ترک‌خوردگی تحت ارتعاشات شدید تصادفی از پارامترهای کلیدی طراحی به شمار می‌رود. ترک‌ها معمولاً در سطح بین اتصالات لحیم و بورد الکترونیک ایجاد می‌شوند؛ ازاین‌رو توسعه‌ی ابزارهای ریاضی برای پیش‌بینی شکست اهمیت ویژه‌ای دارد. در این پژوهش، معیاری جهت پیش‌بینی شکست سطحی بین بورد الکترونیک و لحیم تحت بارگذاری مود ترکیبی I/II ارائه شده است. این معیار بر مبنای مفهوم حداکثر نرخ آزادسازی انرژی کرنشی و با در نظر گرفتن ترم تنش T تدوین گردیده است. بورد الکترونیک و اتصالات لحیم به‌ترتیب به‌عنوان مواد اورتوتروپیک و ایزوتروپیک مدل‌سازی شده‌اند، که ماده اورتوتروپیک از طریق مفهوم جامد ایزوتروپیک تقویت‌شده شبیه‌سازی می‌شود. نتایج نشان می‌دهد ترم تنش T نقش مهمی در پیش‌بینی مسیر و رفتار رشد ترک در ناحیه اتصال دارد. به‌کارگیری دقیق‌تر این ترم در تحلیل مود ترکیبی، پیش‌بینی شکست نهایی بورد را به‌طور محسوسی بهبود می‌دهد. در پایان، دقت معیار پیشنهادی با مقایسه با داده‌های تجربی موجود مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Enhanced Interfacial Fracture Prediction in Electronic Solder Joints Considering T-Stress under Mixed-Mode I/II Loading

نویسندگان English

Zahra Kahji 1
Mahdi Fakoor 2
Saeid Shakhesi 3
Saeid Sarkheil 3
1 Space science and technology institute of Amirkabir University, Tehran, Iran.
2 College of Interdisciplinary Science and Technology, University of Tehran
3 Iran Space Research Center, Tehran, Iran.
چکیده English

Ensuring the structural integrity of electronic assemblies exposed to severe random vibrations is a critical aspect of space systems engineering. In such assemblies, cracks typically initiate and propagate at the solder joint–Printed Circuit Board (PCB) interface due to the mismatch in material stiffness, thermal expansion coefficients, and the presence of complex dynamic stresses. Interfacial failure of solder joints not only reduces the mechanical reliability of the system but may also lead to functional failure of electronic modules. Therefore, developing an accurate and physics-based predictive model for interfacial fracture is of major significance for enhancing the durability and reliability of space borne electronic systems. In this study, a new interfacial fracture criterion is developed to predict crack initiation and propagation in PCB–solder interfaces subjected to mixed-mode I/II loading. The proposed model is formulated based on the Maximum Strain Energy Release Rate (MSERR) criterion, with explicit incorporation of the T-stress term, which accounts for the non-singular component of the near-tip stress field. The PCB is modeled as an orthotropic material, while the solder joint is treated as isotropic. The orthotropic response of the PCB is represented through a reinforced isotropic solid modeling approach, enabling an efficient yet accurate description of anisotropic stiffness characteristics. Parametric analyses demonstrate that the T-stress plays a decisive role in controlling the crack initiation angle, mode mixity, and overall failure envelope. Neglecting this term leads to notable deviations in predicting interfacial fracture under mixed-mode conditions. Incorporating the T-stress enhances the model’s ability to capture the interaction between normal and shear components of stress, thereby improving the accuracy of predicted failure paths. Finally, the proposed criterion is validated against available experimental data and published analytical results. The comparison confirms strong agreement in predicting crack trajectory, critical energy release rate, and ultimate load capacity. The developed criterion provides valuable insights for the design and reliability assessment of microelectronic and aerospace structures where complex mixed-mode loading conditions prevail. This study highlights the essential role of the T-stress in advanced fracture mechanics formulations for predicting interfacial failure with higher fidelity.

کلیدواژه‌ها English

Electronic Board
Interfacial fracture
T-stress term. Strain energy release rate