BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型,阐明其与连续介质损伤力学的联系,评估应力三轴度对预测模型的影响,并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列(Ball grid array,BGA)结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点(高度为500～100 μm,焊盘直径为480 μm)疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明,疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系;应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率,并最终影响焊点的疲劳寿命;应力三轴度与加载方式有关,拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响,应力三轴度随焊点高度降低而明显升高;而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限,焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小;测得的高度为100 μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命,表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。     

PBGA焊点的热疲劳寿命分析

采用焊点阵列数学分析的方法得到阵列在热循环载荷作用下,由于元件、焊点及基板的热膨胀系数不匹配所产生的阵列对关键点焊点的热位移影响。然后利用焊点盛开有软件得到焊点的形态,通过编制相关转换程序进行关键焊点的非一有限元分析,从而得到关键焊一内的最大变值,利用低周热疲劳寿命预测公式得到焊点的热疲劳寿命。     

基于焊点形态分析的小节距BGA焊盘尺寸设计

为了寻找BGA焊点体积、焊盘尺寸及焊点节距之间的最佳匹配关系以提高焊接成品率,研究了焊点形态对焊接高度的影响。通过Runge-Kutta方法求解带体积约束的Young-Laplace方程,仿真分析了特定节距下焊点体积与焊盘尺寸对焊接效果的影响。结果表明,焊点体积的变化会使得整个焊点高度与承载力的关系曲线向左或者向右平移,而焊盘直径则对焊点的最大高度影响更加明显。需要同时改变焊点体积及焊盘直径以得到能够适应相应封装形式的翘曲变形。最后,按照中兴通讯股份有限公司某封装的0.4mm节距BGA的标准,分析了0.35mm节距及0.3mm节距BGA封装下焊点体积与焊盘直径的最佳匹配关系。     

气孔缺陷位置对SMT焊点热疲劳寿命影响的数值分析

通过用统一的粘塑性本构方程描述SMT焊点的力学行为，对气孔缺陷在SMT焊点中不同位置的情况建立二维有限元分析模型，并采用有限元方法分析了气孔位置对SMT焊点疲劳寿命的影响。分析发现，与无缺陷焊点相比，气孔使焊点中应力应变分布发生了改变，使焊点疲劳寿命缩短；焊角、焊趾和焊点中部位置的气孔对焊点中的应力应变和焊点的疲劳寿命影响较小，而焊点根部气孔的影响则显著。     

基于焊点形态的工艺参数对底部引线塑料封装器件焊点可靠性影响分析

选取焊盘长度、焊盘宽度、钢网厚度和间隙高度为四个关键因素,采用水平正交表L25(56)设计25种不同参数水平组合的底部引线塑料封装(bottom leaded plastic,BLP)器件焊点,建立25种焊点的形态预测模型和有限元分析模型;对热循环加载条件下BLP焊点进行非线性有限元分析,计算25种不同焊点形态的BLP焊点热疲劳寿命;基于热疲劳寿命计算结果进行极差分析.结果表明,四个因素对BLP焊点热疲劳寿命影响由大到小的顺序依次是焊盘宽度、焊盘长度、间隙高度和钢网厚度;可靠性最高的BLP焊点工艺参数水平组合为焊盘长度1.1 mm、焊盘宽度0.65 mm、钢网厚度0.15 mm和间隙高度0.09 mm.     

基于焊点形态理论的SMT焊点质量模糊故障诊断技术研究

根据SMT焊点质量与焊点的三维几何形态直接相关的特点，提出了SMT焊点形态理论。以该理论为支持，提出了SMT焊点质量模糊诊断技术。将实际焊点几何形态与合理焊点几何形态对应比较，作为模糊输入向量，以焊点的故障缺陷发生可能度作为模糊输出向量。通过可信度约束的模糊规则与正反向模糊推理，进行焊点质量模糊故障诊断。以四边扁平封装器件(QFP)为例，进行了实例验证。     

基于蒙特卡罗法和有限元法分析封装焊点中微孔洞对应力的影响

将蒙特卡罗法和有限元方法用于分析球珊阵列封装(BGA封装)焊点中微孔洞缺陷对焊点应力的影响。先用X射线断层扫描方法测定焊点中孔洞大小及其分布规律,然后利用Abaqus有限元分析软件建立BGA封装有限元模型,采用Anand本构方程描述焊点的应力应变响应,分析BGA封装焊点应力分布情况;并针对关键焊点即应力最大的焊点,建立了含孔洞大小和位置呈随机分布的焊点参数化有限元模型,结合试验结果,分析了孔洞直径和位置对焊点应力分布的影响。结果表明:微孔洞直径越小,越接近于焊点的表面,焊点中的应力越大。     

跌落碰撞下球栅阵列无铅焊点寿命分析

基于跌落试验与有限元模拟结果进行球栅阵列(ball grid array,BGA)无铅焊点的跌落碰撞寿命分析。首先用统计学的方法,建立跌落碰撞下不同脉冲幅值与脉冲时间的BGA封装无铅焊点寿命预测模型,并通过其寿命预测模型定量评估BGA无铅焊点的跌落碰撞寿命;接着用Power原理建立一个将焊点最大拉应力与焊点失效时跌落次数联系起来的焊点寿命预测模型。无铅焊点寿命预测模型的研究对封装的设计及其可靠性提高具有一定的指导意义。     

钢板点焊翘曲缺陷对平均应力强度因子的影响

车身焊接易造成翘曲缺陷,显著影响其疲劳寿命。针对翘曲缺陷对平均应力强度因子的影响,基于力学理论和有限元法,将焊点模型模块化,对比分析仿真得出的合格焊点平均应力强度因子ΔKqua与翘曲缺陷焊点平均应力强度因子ΔKdef。通过寻找影响因素及影响规律,提出翘曲因子C的概念并通过仿真验证其适用性。仿真分析与理论推导得出的平均应力强度因子间的平均误差小于6%。试验结果表明,经翘曲因子修正的翘曲缺陷焊点ΔKdef的平均准确率为84.6%。     

高温低周疲劳寿命评价准则的探讨

通过对4种不同缺口形式的2.5Cr1Mo钢材料圆柱形试件的高温低周疲劳行为的研究，用当量应变范围准则，当量塑性应变能准则和当量总应变能准则评价多维应力状态下的高温低周疲劳寿命。可见：用当量准则评价高温评价高温低周疲劳寿命是有实验和理论依据的，但仍需做进一步分析探讨。     

Reliability estimation of solder joints under thermal fatigue with varying parameters by using FORM and MCS

One of major reasons for the failure of solder joints is thermal fatigue. Also, the failure of solder joints under thermal fatigue loading is influenced by varying boundary conditions such as the material of the solder joint, the materials of substrates(related to the difference in CTE), the height of solder, the distance of the solder joint from the neutral point (DNP), the temperature variation and the dwell time. In this paper, first, the experimental results obtained from thermal fatigue test are compared to the outcomes from theoretical thermal fatigue life equations. Second, the effects of varying boundary conditions on the failure probability of the solder joint are studied by using probabilistic methods such as the first order reliability method (FORM) and Monte Carlo simulation (MCS).     

倒装芯片封装结构中SnAgCu焊点热疲劳寿命预测方法研究

由于焊点区非协调变形导致的热疲劳失效是倒装芯片封装（包括无铅封装）结构的主要失效形式.到目前为止,仍无公认的焊点寿命和可靠性的评价方法.文中分别采用双指数和双曲正弦本构模型描述SnAgCu焊点的变形行为,通过有限元方法计算焊点累积蠕变应变和累积蠕变应变能密度,进而据此预测倒装芯片封装焊点的热疲劳寿命.通过实验验证,评价上述预测方法的可行性.结果表明,倒装芯片的寿命可由芯片角焊点的寿命表征;根据累积蠕变应变能密度预测的焊点热疲劳寿命比根据累积蠕变应变预测的焊点热疲劳寿命更接近实测数据;根据累积蠕变应变预测的热疲劳寿命比根据累积蠕变应变能密度预测的热疲劳寿命长;采用双指数本构模型时,预测的焊点热疲劳寿命也较长.     

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳损伤研究

通过分析影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,对循环塑性应变能的计算方法进行了研讨,认为构成塑性应变能的主要因素应包括循环等效应力范围、全应变范围、晶向参数和平均应力等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系。利用试验数据对循环塑性应变能与镍基单晶合金低周疲劳寿命之间的相关性进行定量分析,结果表明：循环塑性应变能与镍基单晶合金低周疲劳寿命之间存在着比较密切的相关关系。     

主动红外热成像焊球缺陷检测方法研究

IC产品的小型化和多功能化使微电子封装密度不断提高,微焊球技术得以广泛应用,而微焊球尺寸和间距日益缩减,使隐藏于芯片或封装内部的微焊球缺陷检测变得十分困难。主动红外热成像技术被深入研究并应用于微焊球缺陷检测,构建了主动红外微焊球缺陷检测模型,并展开试验研究。对直径和间距较大的BGA焊球采用红外透射式测量法进行检测,对获得的热图像进行空间自适应滤波,然后通过边缘检测分割出焊球区域,减小了热噪声和焊球间隙噪声对缺陷识别的干扰,并通过有效热斑面积进行量化分析;对凸点直径和间距较小的FA10倒装芯片采用红外反射式测量法进行检测,利用改进的自适应滤波算法去除空间椒盐噪声,然后提取像素点温度序列值进行时间域移动平均降噪,并以指数形式进行曲线拟合,通过傅里叶变换进行时频转换,采用脉冲相位法解决了表面发射率差异引起的缺陷辨识度下降等问题,并使用低频段的相位信息进行表征分析。利用主动红外热成像技术实现了焊球缺陷的有效检测,为高密度IC封装及其可靠性分析提供了一种快速、有效的方法。     

电子电路中焊点的热疲劳裂纹扩展规律

采用试验方法研究表面贴装结构焊点在热疲劳过程中的疲劳裂纹扩展规律。试验研究中选用两种不同尺寸的焊盘及两种不同的钎料(包括传统的锡铅钎料和锡银铜无铅钎料SAC305),通过观测焊点截面上的裂纹萌生及扩展过程来研究焊点中的热疲劳裂纹扩展规律。研究结果表明,在热疲劳过程中,焊点经历热疲劳裂纹萌生和扩展的两个不同阶段,其中裂纹萌生所占的时间比例较小。在热疲劳后期,裂纹贯穿整个焊点从而造成焊点结构失效。研究发现,焊点结构失效过程中存在着两种不同的裂纹扩展模式,并且锡铅钎料焊点和SAC305无铅钎料焊点的裂纹扩展规律表现出明显的差异。另外研究还发现,当焊盘尺寸较小时,焊点的抗热疲劳性能相对较差;SAC305无铅钎料焊点的抗热疲劳性能优于传统锡铅钎料焊点。     

等温时效对Sn3.0Ag2.8Cu/Cu焊点界面层组织的影响

对Sn3．0Ag2．8Cu／Cu焊点等温时效后其界面组织的变化进行了SEM、OM以及EDX分析研究，并与Sn37Pb／Cu焊点进行了比较。结果表明：在焊料与铜基板界面上存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物，时效过程中Sn3．0Ag2．8Cu焊料与铜的生长速度较慢，金属间化合物的生长属于扩散控制。     

80Au-20Sn钎料焊点可靠性研究现状与展望

共晶80Au-20Sn钎料在大功率电子及光电子器件封装中作为密封和芯片焊接材料特别具有吸引力,在这些应用中焊点的可靠性对于满足设备长期稳定运行至关重要。简要回顾了钎料焊点可靠性提出的背景,介绍了焊点可靠性的评价方法及当前不同工艺对80Au-20Sn钎料焊点的影响;指出今后其可靠性研究重点主要集中在复杂服役条件下焊接工艺优化、焊点可靠性测试方法、焊点寿命预测模型以及焊点本构模型等方面。     

电子封装SnPb钎料和底充胶的材料模型及其应用

采用统一型粘塑性Anand模型描述SnPb钎料的非弹性力学行为,基于试验数据和弹塑性蠕变本构模型,确定了92.5Pb5Sn2.5Ag和60Sn40Pb两种钎料Anand模型的材料参数。采用线性粘弹性Maxwell模型,描述了一种倒装焊底充胶U8347-3材料的模量松弛和体积松弛,得到了相应的松弛参数,研究对所给出的材料模型和参数进行了验证。另外,利用有限元法模拟了倒装焊在热循环条件下的应力应变行为,分析了SnPb焊点的塑性应变和热循环寿命。结果表明,采用上述材料模型和参数,可以合理描述SnPb钎料和底充胶的力学本构,并可应用于电子封装的可靠性模拟和分析。     

复杂应力状态下高温高强度铝合金LD8热疲劳特性的研究

利用带缺口试件进行了同相和异相热疲劳试验，并借助轴对称热疲劳力学行为的有限元数值分析程序，计算和分析了缺口处的复杂应力和应变，探讨用当量应变范围和当量塑性应变能密度评价热疲劳寿命的可能性。结果表明，在一定加载范围内，当量应变范围和当量塑性应变能密度都可以作为评价复杂应力状态下热疲劳寿命的有效力学参量，而且不受试件形状和尺寸的影响。     

基于模式匹配及其参数自适应的PCB焊点检测算法

为了提高在线自动光学检测(AOI)系统检测印刷电路板(PCB)焊点的准确率和速度,对PCB焊点进行了研究。通过研究由特定结构光源和3CCD彩色相机获取的PCB焊点图像,基于常见的良品、多锡、少锡、假焊等焊点类型,提取焊点图像关键子区域的面积特征,在此基础上,建立了五种焊点类型的特征矩阵模型,并根据同类焊点相似程度最大为原则设计了检测焊点的模式匹配算法。此外,本文还给出了一种参数自适应方法对各检查项所用到的阀值参数进行学习与校正。在实验研究中,对含有1040个Chip焊点的PCB进行了检测,结果显示本文所提算法对焊点检测的准确率可达96.5%,检测所用时间为9秒。研究结果表明,本文算法具有较高检测准确率和检测速度。