热循环加载条件下PBGA叠层无铅焊点可靠性分析

建立了塑料球栅阵列(plastic ball grid array,PBGA)器件叠层焊点应力应变有限元分析模型,基于该模型对叠层无铅焊点在热循环载荷条件下的应力应变分布进行了分析,计算其热疲劳寿命,分析焊点材料、焊点高度和焊点最大径向尺寸对叠层焊点热疲劳寿命的影响.结果表明,与单层焊点相比,焊点叠加方式能有效提高焊点热疲劳寿命;采用有铅焊料Sn62Pb36Ag2和Sn63Pb37的叠层焊点比采用无铅焊料Sn-3.5Ag和SAC305的叠层焊点热疲劳寿命高;叠层焊点的高度由0.50 mm增加到0.80 mm时,焊点的热疲劳寿命随其高度的增加而增加;叠层焊点的最大径向尺寸由0.30 mm增加到0.45 mm时,焊点的热疲劳寿命随焊点的最大径向尺寸增加而减小.     

底充胶叠层PBGA无铅焊点随机振动应力应变分析

建立了底充胶叠层塑料球栅阵列(plastic ball grid array, PBGA)无铅焊点三维有限元分析模型,研究了PBGA结构方式、焊点材料、底充胶弹性模量和密度对叠层无铅焊点随机振动应力应变的影响. 结果表明,底充胶可有效降低焊点内的随机振动应力应变;在其它条件相同下,对于Sn95.5Ag3.8Cu0.7,Sn96.5Ag3Cu0.5,Sn-3.5Ag和Sn63Pb37这四种焊料,采用Sn-3.5Ag的底充胶叠层焊点内的随机振动最大应力应变最小,采用Sn96.5Ag3Cu0.5的焊点内的最大应力应变最大;随着底充胶弹性模量的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应减小;随着底充胶密度的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应增大.     

不同阵列PBGA器件焊点可靠性分析

采用Anand模型描述钎料本构关系,对温度循环载荷下两种不同阵列形式的塑料球栅阵列(PBGA)Sn3.0Ag0.5Cu焊点的应力应变响应进行有限元分析.结果表明,两种不同阵列条件下,关键焊点的位置均由芯片拐角位置决定.芯片尺寸改变时,PB.GAl21焊点的最大应力值随芯片尺寸的增大而增大,但PBGA81的最大应力值随芯片尺寸增大先减小后增大.凭借Engelmaier修正的Coffin-Manson寿命预测方程,分别预测了两种不同阵列PBGA器件四种芯片尺寸条件下焊点的热疲劳寿命,结果表明芯片尺寸对焊点疲劳寿命有较大影响.     

PBGA封装SAC405互连焊点热疲劳寿命预测

基于正应变对焊点疲劳寿命的影响,采用改进的Darveaux模型,通过有限元数值模拟法对PBGA封装SAC405互连焊点的热疲劳寿命进行预测。结果表明:焊点的损伤尺度沿着封装中心线增加,在芯片边界以下达到最大值,然后向着封装边界方向逐渐减小,最终在封装边界附近恢复到较大值;裂纹易在封装侧焊点和焊盘之间界面上形成,并沿着焊点圆周方向较宽的角度范围扩展,裂纹生长过程与试验结果相一致;工况2条件下的关键焊点疲劳寿命为5 525个周期,随着热循环高低温保温时间的延长,关键焊点的疲劳寿命减小。     

热循环载荷下POP堆叠焊点应力分析与优化

建立叠层封装(packaging on packaging,POP)堆叠焊点有限元模型,基于ANAND本构方程,分析了热循环载荷下焊点应力分布状态及热疲劳寿命;基于灵敏度法分析了POP封装结构参数对焊点热应力的影响显著性;基于响应面法建立POP堆叠焊点热应力与结构参数的回归方程,并结合粒子群算法对结构参数进行了优化.结果表明,焊点与铜焊盘接触处应力最大,该处会率先产生裂纹,上层焊点高度和下层焊点高度对POP堆叠焊点热应力影响较为显著;最优结构参数水平组合为上层焊点高度0.35 mm、下层焊点高度0.28 mm、中层印刷电路板厚度0.26 mm,优化后上、下两层焊点的最大热应力分别下降了0.816和1.271 MPa,延长了POP堆叠焊点热疲劳寿命.     

考虑IMC影响的PBGA无铅焊点温度循环有限元数值模拟

采用ANSYS统一Anand粘塑性本构方程描述SnAgCu焊点非弹性形变.对考虑IMC的PBGA焊点与不考虑IMC的PBGA焊点在温度循环载荷作用下的应力应变响应进行分析比较.结果表明,远离中心位置的外侧焊点承受更大的应力应变;在温度循环加载过程中IMC层积累了较大的应力;由于IMC层的硬脆性材料特性,应力不会通过塑性形变释放,使焊料在高应力IMC界面发生较大的塑性形变;IMC焊点高应力集中区的应力应变迟滞回线所代表的应变能高于不考虑IMC的焊点,导致其热疲劳寿命远低于不考虑IMC的焊点,与实际温度循环试验结果更为接近.     

不同电子封装结构的随机振动分析

基于ABAQUS有限元软件，对同一PCB板上的QFP和PBGA两种不同封装结构，在随机振动载荷下的应力场进行了研究，并对不同封装结构性能进行了比较分析.结果表明,在随机振动载荷下，无论是QFP封装组件还是PBGA封装组件，越靠近PCB板边缘，器件的应力值越大；在同等条件下，PBGA封装器件的应力值要高于QFP封装器件；以同类封装器件中最大应力值的10%为临界点，封装器件中应力值比最大应力值低10%以上的为非薄弱元器件，其余均定义为薄弱元器件.根据该定义，对于5组QFP封装器件而言，QFP-1器件和QFP-5器件为薄弱元器件；而对于5组PBGA封装器件，仅有PBGA-3器件为非薄弱元器件.     

FCBGA器件SnAgCu焊点的热冲击可靠性分析

采用有限元法和Garofalo-Arrheninus稳态本构方程,在热冲击条件下对倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）器件SnAgCu焊点的可靠性进行分析. 结果表明,Sn3.9Ag0.6Cu焊点的可靠性相对较高. 通过分析SnAgCu焊点的力学本构行为,发现焊点应力的最大值出现在焊点与芯片接触的阵列拐角处. 随着时间的推移,SnAgCu焊点的应力呈周期性变化. Sn3.9Ag0.6Cu的焊点应力和蠕变最小,Sn3.8Ag0.7Cu焊点应力和蠕变次之,Sn3.0Ag0.5Cu焊点应力和蠕变最大,与实际的FCBGA器件试验结果一致. 基于蠕变应变疲劳寿命预测方程预测三种SnAgCu焊点的疲劳寿命,发现Sn3.9Ag0.6Cu焊点的疲劳寿命比Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.8Ag0.7Cu焊点的疲劳寿命高.     

PBGA焊点在板级跌落冲击载荷下的可靠性分析

探究实际形状的焊点在跌落冲击载荷下的可靠性。焊接实验表明:回流曲线的加热因子越小,焊接得到的焊点的高度越高,直径越小;根据实际焊点形状参数建立PBGA器件的3D有限元模型并采用Input-G方法进行计算,计算结果表明:最大剥离应力值出现在PBGA最外端角点焊点的封装侧内边角;焊接得到的高度较高、直径较小的焊点抵抗跌落冲击载荷的能力较强;锡铅焊点的跌落寿命是无铅焊点的1.6倍。     

Sn-Ag3.0-Cu0.5/Cu金属间化合物生长行为及其对PBGA焊点热疲劳可靠性的影响

利用SMT全自动回流焊机和高温恒温试验箱,制备出经2次回流焊且不同时效处理时间的Sn-Ag3.0-Cu0.5/Cu焊点试件,对其金属间化合物（IMC）的厚度进行测量,发现其厚度的增长与时效时间的平方根近似成线性关系。采用统一粘塑性Anand本构模型来描述焊点的力学性能,运用有限元计算软件ANSYS对PBGA构件进行热循环模拟,对其在不同IMC厚度下的应力和应变响应进行分析。结果表明,芯片右下方焊点右上角热循环结束后累积的等效塑性应变最大,是整个PBGA构件的关键焊点;随着IMC厚度的增加,关键焊点热循环过程中的等效应力水平不断降低,相应剪切塑性应变范围Δγ不断增大,热疲劳寿命Nf则不断降低;升温和高温保温过程中剪切塑性应变的增加量构成了剪切塑性应变范围Δγ,且不同IMC厚度下升温段剪切塑性应变增加量占Δγ的比例基本维持在95%左右     

焊点间距和直径对波纹板组件疲劳寿命的影响

为了获得疲劳性能较好的波纹板组件,采用印记面法建立焊点模型,通过模拟仿真计算不同直径和间距下点焊连接的波纹板组件等效应力,并采用二因素无重复试验方差分析法研究了焊点直径及间距对波纹板组件受力情况的影响。结果表明,总体上焊点水平间距及直径对波纹板组件的等效应力无显著影响。在焊点水平间距为70 mm时,波纹板组件的等效应力随焊点直径增加而变化明显,且疲劳寿命随焊点直径的增大表现出明显提高。综合考虑波纹板组件的疲劳寿命及性价比,较优的焊点结构参数为焊点直径5 mm,焊点排列距U型板边缘左右边距10 mm,上下边距4 mm,且焊点间水平间距70 mm;此时波纹板组件疲劳寿命仿真结果为3.17×10~6次,物理试验下实际疲劳寿命超过2.00×10~7次,满足工况要求。     

圆形电源连接器随机振动分析与结构优化

对电连接器进行模态分析和随机振动分析,运用正交试验的方法,研究接触件不同的结构参数对电连接器固有频率、最大应力和接触件间隙的影响,选出最优的水平组合,并对优化前后电连接器的固有频率、最大应力和接触件间隙值进行比较;最后根据Miner累积损伤理论对电连接器的疲劳寿命进行预测。结果表明:径向加载时的电连接器最大应力值与接触件间隙值比轴向加载时大;冠簧宽度对电连接器一阶固有频率影响最大,冠簧长度对电连接器最大应力影响最大,冠簧厚度对接触件间隙影响最大;通过优化冠簧结构尺寸,可以减小电连接器受振动载荷时的接触件间隙值,最大应力值也会大幅下降,一阶固有频率值有明显上升;优化前后电连接器都未发生疲劳失效,优化后的总体损伤值与优化前相比下降较大,优化后的结构尺寸可以大幅增强电连接器的疲劳寿命。     

QFP组件的优化模拟及焊点热疲劳寿命的预测

采用有限元方法研究了方形扁平式封装QFP(quad flat package)组件的优化模拟及引线宽度与间距对焊点疲劳寿命的影响规律.结果表明,在QFP64组件的所有焊点中,最外侧焊点的正前面存在最大应变值,易产生裂纹,发生疲劳破坏,为组件的最脆弱部位.QFP引线间距固定时,随着引线宽度的增加,焊点等效应变值逐渐增加,焊点可靠性降低,热疲劳寿命降低;QFP引线宽度固定时,随着引线间距的增加,存在一个焊点热疲劳寿命最大值;所选取的计算模型中,当引线宽度为0.15 mm,引线间距为0.45 mm时,焊点可靠性最高,组件具有最长的疲劳寿命.     

热循环条件下温度效应对PBGA焊点可靠性的影响

基于有限单元法研究PBGA封装无铅SAC405焊点在-55~125℃热循环中的可靠性,探讨了温度效应对其应力应变分布的影响,分析了焊点裂纹的成长情况。结果表明:温度效应对PBGA封装的应力、应变分布具有一定影响;焊点的等效应力最大值位于焊点的上表面,关键焊点是对应于芯片距离对称中心最远处的焊点;裂纹形成在基板侧,沿着焊盘由焊点的外侧向内侧扩展。试验结果与模拟结果一致,验证了模拟结果的正确性。     

塑料封装球栅阵列器件焊点的可靠性

对比了充胶和未充胶塑料封装球栅阵列(PBGA)器件在-40 ℃～125 ℃温度循环条件下的热疲劳寿命,采用光学显微镜研究了失效样品焊点的失效机制,并分析了充胶提高器件热疲劳寿命的机制.实验发现底充胶可使PBGA样品的寿命从500周提高到2000周以上,失效样品裂纹最先萌生于最外侧焊球中近硅芯片界面外边缘处,界面处焊料组织粗化及界面脆性金属间化合物Ni3Sn2和NiSn3相的生成均促使裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展.PBGA焊点界面处裂纹的萌生和扩展是该处应力应变集中、焊料组织粗化以及生成脆性金属间化合物等各种金属学和力学因素共同作用的结果.     

3D封装微尺度CSP焊点随机振动应力应变分析

基于ANSYS软件建立了3D芯片尺寸封装有限元模型,对模型中微尺度CSP焊点在随机振动载荷条件下进行有限元分析,获得了CSP焊点应力应变分布情况;分析了不同焊点材料、焊盘直径和焊点体积对应力应变的影响;并以焊点体积、焊点高度、焊盘直径为设计参数,以随机振动条件下CSP焊点应力值作为目标值,设计17组试验仿真计算,采用响应曲面法对17组应力值与微尺度CSP焊点形态参数间关系进行拟合,结合遗传算法对拟合函数进行优化.结果表明,随机振动环境下应力值最小的CSP焊点组合参数为焊点最大径向尺寸0.093 mm、焊点高度0.077 mm、焊盘半径0.068 mm,并对最优组合参数仿真验证,最优组合仿真结果优于17组试验仿真结果,实现了随机振动环境下微尺度CSP焊点的结构优化.     

回流焊冷却过程中PBGA焊点力学行为分析

以热弹塑性理论为基础,建立球栅阵列PBGA焊点在回流焊工艺中焊接应力的有限元模型,利用ANSYS的热结构耦合功能,采用生死单元法对Sn-Ag-Cu焊点回流焊的冷却过程进行数值模拟分析.焊点冷却结晶后的初始阶段,等效应力随温度的降低快速增加,当焊点的温度逐渐降低至室温时,等效应力为最大.结果表明,在回流焊接工艺中,PBGA焊点的裂纹极可能发生在焊料冷却结晶后的初始阶段,在焊点高应力集中区首先开裂,并在应力的作用下沿界面逐渐扩展.对焊料凝固初期冷却速率的控制是减少焊接裂纹产生的有效方法.     

基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测

Anand模型采用有限元法模拟WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu-X（Ce，Fe）无铅焊点在热循环载荷条件下的应力-应变响应，借助蠕变应变疲劳寿命预测模型SnAgCu，SnAgCuCe，SnAgCuFe焊点疲劳寿命.结果表明，在服役器件整体器件出现明显的变形现象，电路板翘曲严重.从中心到拐角焊点变形-应力-应变逐渐增加，芯片下拐角焊点成为整个结构潜在的危险区域.通过计算WLCSP器件SnAgCu、SnAgCuCe和SnAgCuFe三种焊点的疲劳寿命，证实了SnAgCuCe和SnAgCuFe焊点寿命明显高于SnAgCu焊点，证明了在SnAgCu中添加一定量的铈和铁可以显著提高SnAgCu焊点的使用寿命，分析结果为新型无铅钎料的研发提供理论支撑.     

热冲击条件下1.27mm引脚间距塑封球栅阵列器件焊点可靠性测试与分析

通过热冲击试验1.27mm引脚间距塑封球栅阵列（PBGA）器件焊点可靠性进行了测试与分析，选取钢网厚度、芯片配重、焊盘直径三个影响焊点可靠性的关键因素设计了多种不同工艺参数组合的PBGA测试样件，对样件进行了可靠性热冲击试验。对试验结果数据所进行的极差分析和方差分析以及对焊点寿命威布尔分布的计算表明，钢网厚度对PBGA焊点可靠性有显著的影响；最优工艺参数组合为钢网厚度0.15mm、焊盘直径0.73mm、芯片配重18.0547g；PBGA测试样件寿命服从形状参数为0.85，尺度参数为6254.88的威布尔分布。     

航天电子产品中SMT焊点形态对其疲劳寿命的影响

深入分析了航天电子产品中表面组装技术(surface mount technology,简称SMT)焊点可靠性影响因素及失效机理,研究了温度循环下SMT焊点弹塑性应力应变规律及其寿命预测方法,并在此基础上探索了元件与焊盘间隙、钎料量、外轮廓等形态对焊点热疲劳寿命的影响,揭示焊点形态与应力应变和疲劳寿命之间的对应关系,以寻求具有较为理想力学性能及热循环寿命的焊点形态. 结果表明,上述理论方法为实际焊接过程中的PCB上焊盘尺寸的合理设计提供了理论支撑.