PBGA无铅焊点应力应变数值模拟及寿命预测

本文对焊点材料为Sn3.8Ag0.7Cu的PBGA封装器件进行了3-维有限元数值模拟.以Aand统一粘塑性本构方程描述无铅焊点的粘塑性行为,研究了在温度循环载荷下焊点阵列等效应力和塑性应变的分布规律,找出了实体模型中最大应力和应变的焊点位置;分析了最大应变焊点的等效应力周期性变化和等效塑性应变累积的动特性曲线;基于Manson-Coffin焊点疲劳寿命模型,对关键焊点进行了寿命预测,疲劳寿命值为3.851×103循环周期.     

CSP焊点焊后残余应力分析与预测

该文建立了芯片尺寸封装(CSP)焊点有限元分析模型并对其进行了再流焊焊后残余应力应变分析.以焊点直径、焊点高度、焊盘直径和焊点间距为输入参数,焊后残余应力为输出参数进行了灵敏度分析.选取灵敏度分析结果中对残余应力影响显著的因子作为输入,建立了带动量项神经网络预测模型,对CSP焊点焊后残余应力进行了预测.结果表明,置信度...     

电连接器激光软钎焊焊点的热疲劳寿命预测

通过建立Micro-USB电连接器有限元模型，采用Anand统一性本构方程描述焊点在循环温度载荷作用下的力学行为；借助ANSYS软件分析模拟焊点应力应变分布和变化情况；运用基于塑性应变的Coffin-Manson方程，计算激光软钎焊焊点在热循环温度作用下的热疲劳寿命。结果表明，电连接器激光软钎焊焊点在热循环作用下，最大应力应变位于中间部位的焊点与金属Pin相互接触处，其疲劳寿命最低，为1 146次，从而确定易发生失效的危险部位。该结论可为电连接器的设计、制作和测试提供理论依据。     

芯片叠层球栅阵列尺寸封装的焊球疲劳寿命预测

应用弹粘塑性有限元法对芯片叠层球栅阵列尺寸封装的焊球,在热循环条件下(-40～125 C)进行了数值模拟,并在此基础上进行了可靠性分析.由于封装体内不同材料间热膨胀的不匹配会在焊球连接上产生很大的塑性形变.在热循环加载条件下,最终会萌生裂纹,致使整个芯片失效.本文基于ANSYS有限元分析软件,以塑性应变能作为研究对象,讨论了焊球的可靠性分析方法,最后利用子模型法探讨了网格的疏密对焊球寿命的影响.     

陶瓷球栅阵列封装热致疲劳寿命分析

建立改进的整体与局部(global/local)相结合的有限元模型,并用模型对FF1152(1152-Ball Flip-Chip Fine-Pitch BGA)中的复合焊点用有限元软件MARC进行应力应变以及塑性功累积分析,确定了最危险焊点位置;同时根据以上分析结果,采用Darveaux等人提出的塑性能量累积方程,在循环温度0～100 ℃的加速失效条件下,预测危险焊点的热疲劳寿命,所得结果与国外相关文献数据相一致.首次利用Nastran软件的优化功能和手动拟合相结合的方法确定等效焊点的等效参数,与真实焊点的比较结果显示,等效的结果总体误差为3.01%,表明改进的三维有限元模型是非常准确而有效的分析模型,并可以用来方便地分析不同类型的SMT封装.     

子模型法预测BGA封装中焊球的疲劳寿命

采用子模型法分析BGA在加速温度循环条件(-25~125℃)下的变形情况,并用Darveaux能量法预测疲劳寿命.首先,建立一个包含多个焊球的粗糙模型,分析其在热循环载荷中由于芯片和基板之间热膨胀系数不同导致的变形情况,确定关键焊球(最容易失效的焊球);然后,将其结果作为边界条件施加在详细建模的子模型中(该子模型包含关键焊球),用以研究焊球周围组件的变形情况;最后,计算疲劳失效循环次数.研究证明:与传统的方法比较,子模型法在计算机计算能力有限的条件下能够提供更为准确的疲劳寿命预测.     

PBGA封装回流焊翘曲变形仿真与验证

回流焊温变过程中,由于不同材料热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion,CTE）的不匹配,塑料焊球阵列（plastic ball grid array,PBGA）封装会发生翘曲变形现象。本文采用有限元法对PBGA封装的翘曲变形及应力应变进行仿真分析,并用阴影云纹法对翘曲变形的模拟分析结果进行测试验证。结果表明：PBGA封装翘曲值的模拟值与实测值非常接近,分别为35.9 μm和36 μm;模拟回流焊过程中,翘曲值的模拟值与实测值的变化趋势具有一致性。回流焊过程中,PBGA封装的热应力应变最大值都在基板靠近粘接层的位置,该位置是PBGA封装出现热可靠性问题的最大风险点。PBGA封装边角处的翘曲量最大,因而边角处的焊点也最容易出现开路、虚焊等装联缺陷。     

倒装焊微电子封装结构参数的概率设计

倒装焊微电子封装各组件在封装过程中的残余应力应变分布对封装性能的影响近来受到众多学者的关注。初步研究表明,倒装焊微电子封装的结构参数对其封装残余应力应变有着十分重要的影响。有鉴于此,采用有限元分析及结构参数概率设计相结合的方法,研究了倒装焊微电子封装关键结构参数对SnPb焊点VonMises等效应力峰值的影响情况,构造出了结构参数对等效应力的响应面,并用蒙特卡罗随机模拟方法,研究了这些参数对SnPb焊点VonMises等效应力峰值的概率分布及其对结构参数的敏感度影响情况。     

CCGA焊点热循环加载条件下应力应变有限元分析

SMT焊点在热循环加载条件下的应力应变过程分析是 SMT焊点可靠性研究的重要内容。SMT焊点的可靠性问题主要是焊点在热循环过程中 ,由于陶瓷芯片载体与基板材料之间的热膨胀失配而导致焊点的蠕变疲劳失效。以 CCGA焊点为例 ,利用 CCGA三维焊点形态预测表面节点输出结果 ,将焊点形态分析三维表面模型转换为焊点应力应变有限元分析三维实体模型 ,从而建立了 CCGA焊点可靠性分析模型 ,采用三维有限元方法分析了 CCGA焊点在热循环条件下的应力应变过程。在此基础上 ,对 CCGA焊点疲劳寿命进行了计算     

CCGA焊点热循环加载条件下应力应变有限元分析

SMT焊点在热循环加载条件下的应力应变过程分析是SMTO时点可靠性研究的重要内容。SMT焊点的可靠性问题主要是焊点在热循环过程中,由于陶瓷芯片载体与基板材料之间的热膨胀失配而导致焊点的蠕变疲劳失效,以CCGA焊点为例,利用CCGA三维焊点形态预测表面节点输出结果,将焊点形态分析三维表面模型转换为焊点应力应变有限元分析三维实体模型。从而建立了CCGA焊点可靠性分析模型,采用三维有限元方法分析了CCGA焊点在热循环条件下的应力应变过程,在此基础上对CCGA焊点疲劳寿命进行了计算。     

高镍铸铁排气歧管低周热疲劳研究

针对某新开发的车用高镍铸铁排气歧管进行了低周热疲劳寿命预测研究,为获取准确的热边界条件,采用STAR-CCM＋与有限元软件进行基于疲劳寿命试验条件的非稳态耦合传热分析,得到了排气歧管的对流换热系数和温度场,建立了具有真实装配关系并施加螺栓预紧力的排气歧管有限元模型,在对等效塑性应变分析的基础上,结合Coffin-Manson公式进行寿命预测。结果表明,在排气歧管开发过程中,采用该方法可以快速对其热疲劳寿命进行评估。     

Parameter fitting of constitutive model and FEM analysis of solder joint thermal cycle reliability for lead-free solder Sn-3.5Ag

The experimental tests of tensile for lead-free solder Sn-3.5Ag were performed for the general work temperatures range from 11 to 90 °C and strain rate range from 5×10⁻⁵ to 2×10⁻² s⁻¹, and its stress—strain curves were compared to those of solder Sn-37Pb. The parameters in Anand model for solder Sn-3.5Ag were fitted based on experimental data and nonlinear fitting method, and its validity was checked by means of experimental data. Furthermore, the Anand model was used in the FEM analysis to evaluate solder joint thermal cycle reliability. The results show that solder Sn-3.5Ag has a better creep resistance than solder Sn-37Pb. The maximum stress is located at the upper right corner of the outmost solder joint from the symmetric center, and thermal fatigue life is predicted to be 3.796×10⁴ cycles under the calculated conditions. Foundation item: Project(50376076) supported by the National Natural Science Foundation of China     

CCGA焊点热疲劳寿命统计分析与评价优化

通过对 CCGA焊点形态参数与热疲劳寿命进行正交回归分析 ,得出了 CCGA焊点形态主要参数与热疲劳寿命之间的关系表达式。利用得到的焊点形态参数与热疲劳寿命的关系表达式 ,采用优化程序对基于焊点热可靠性的焊点形态进行了评价优化 ,得到了优化后的焊点形态参数。     

塑封球栅阵列焊点在温度循环下可靠性数值模拟

根据实际封装器件建立了三维有限元分析模型,模拟了PBGA焊点在温度循环载荷下的蠕变应变,比较了95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu和63Sn-37Pb两种焊料形成的焊点在温度循环下的蠕变情况,预测了焊点在温度循环下的疲劳寿命,评价了两种焊点在温度循环条件下的可靠性.结果表明,两种焊点相比较,63Sn-37Pb焊点在循环中的蠕变现象更为显著,95.5Sn-3.8Ag- 0.7Cu焊点的疲劳寿命更长,可靠性更高.     

SnZnPr-xAu无铅钎料性能与组织

研究了微量纳米Au颗粒对SnZnPr无铅钎料性能与组织的影响。研究结果表明,微量的纳米Au颗粒可以显著改善SnZnPr钎料的润湿性和焊点力学性能,通过优化设计证明纳米Au颗粒的最佳添加量为0.1%,但添加纳米Au颗粒过量时,钎料的润湿性明显下降,焊点的力学性能基本不变。对SnZnPr和SnZnPr-0.1Au钎料组织研究发现0.1%纳米Au颗粒可以显著细化基体组织,特别是减小富Zn相的尺寸,通过纳米压痕实验证明0.1%纳米颗粒可以显著提高SnZnPr钎料的抗蠕变性能,热循环实验证明0.1%纳米Au颗粒可以将QFP100器件SnZnPr焊点热疲劳寿命提高12.3%,主要归因于纳米颗粒对位错的钉扎作用。     

Thermo-mechanical fatigue reliability optimization of PBGA solder joints based on ANN-PSO

Based on a method combined artificial neural network （ANN） with particle swarm optimization （PSO） algorithm, the thermo-mechanical fatigue reliability of plastic ball grid array （PBGA） solder joints was studied. The simulation experiments of accelerated thermal cycling test were performed by ANSYS software. Based on orthogonal array experiments, a back-propagation artificial neural network （BPNN） was used to establish the nonlinear multivariate relationship between thermo-mechanical fatigue reliability and control factors. Then, PSO was applied to obtaining the optimal levels of control factors by using the output of BPNN as the affinity measure. The results show that the control factors, such as print circuit board （PCB） size, PCB thickness, substrate size, substrate thickness, PCB coefficient of thermal expansion （CTE）, substrate CTE, silicon die CTE, and solder joint CTE, have a great influence on thermo-mechanical fatigue reliability of PBGA solder joints. The ratio of signal to noise of ANN-PSO method is 51.77 dB and its error is 33.3% less than that of Taguchi method. Moreover, the running time of ANN-PSO method is only 2% of that of the BPNN. These conclusions are verified by the confirmative experiments.     

橡胶球铰疲劳裂纹扩展寿命预测

通过橡胶纯剪试样疲劳裂纹扩展试验,得出了裂纹扩展速率与撕裂能之间的关系;以单位撕裂能范围为损伤参量,建立了复杂应力状态下的橡胶疲劳裂纹扩展寿命预测模型.基于ABAQUS有限元结构分析和橡胶材料等效应力计算方法,得出橡胶球铰在疲劳载荷下的单位撕裂能范围;对橡胶球铰的疲劳裂纹扩展寿命进行分析预测,并通过产品台架疲劳实验进行验证,结果表明橡胶球铰经过200万次疲劳试验后无明显裂纹,没有发现失效破坏,与寿命预测值基本吻合.     

混合集成电路用Pb-Sn-Sb-Ag钎料的热疲劳

为了解决混合集成电路中环境温度变化引发的焊点可靠性问题,开发了具有高可靠性的新型钎料来满足微型化和高密度化的混合集成电路的焊接需要。对新研发的Pb-Sn-Sb-Ag四元合金钎料进行了DSC熔点测试,热电偶测试了回流焊的温度曲线,对焊点显微组织进行了相分析,并参照IPC-9701A测试方法进行了热循环实验,结果发现热循环前后钎料的显微组织和力学性能发生了明显的变化。研究表明：钎料合金液相点在245益;回流焊峰值温度为267益;显微组织中主要有Pb、Sb2 Sn3和Ag3 Sn三种相;热失配产生的剪切应力导致了微裂纹产生,温度交变使裂纹持续扩展,最终导致焊点出现了整体剥离的断裂失效模式;金属间化合物厚度和剪切强度呈现逐渐递减的近似线性关系;对比已应用的钎料,新研制的Pb-Sn-Sb-Ag钎料显微组织均匀,在-40~150益热循环条件下表现出高的可靠性。