Surface Evolver 软件在材料科学研究中的应用

Surface Evolver软件是基于最小能量原理和有限元数值分析方法,针对表面成形演变过程分析的一般问题用 C语言编写而成,是一种通用型软件工具.在材料科学领域中可用于确定材料的表面形状、确定稳定性及计算力与表面势能.通过举例论述了Surface Evolver在材料学中这三个方面的应用.     

基于SFS原理的SMT焊点表面三维重构技术研究

基于明暗重构形状原理重构表面组装焊点的表面三维形状过程是:先通过图像采集设备,采集到SMT焊点图像,使用相关的图像处理技术,对SMT焊点图像进行处理;根据一个确定的反射模型建立物体表面形状与图像亮度之间的约束关系和物体表面形状的先验知识建立物体表面形状参数的约束关系,然后对这些约束关系联立求解,可得到物体表面的三维形状.同时针对不可接受SMT焊点图像重构出的三维图像不够理想的缺点进行了改进.在阐述其基本思想和原理的基础上,结合实例介绍了该技术的实现方法与步骤,对其中焊点图像的获取与处理、焊点三维重构技术算法等主要内容与关键技术进行了研究和探讨,并对结果进行了分析验证.     

三维堆叠封装TSV互连结构热扭耦合应力分析与优化

建立了三维硅通孔(TSV)芯片垂直堆叠封装结构有限元分析模型,对模型在热扭耦合加载下进行了仿真分析;分析了TSV材料参数与结构参数对TSV互连结构热扭耦合应力的影响;采用了响应面与模拟退火算法对在热扭耦合加载下TSV互连结构参数进行优化设计。结果表明：TSV互连结构最大热扭耦合应力应变位于铜柱与微凸点接触面外侧;微凸点材料为SAC387时,TSV互连结构热扭耦合应力最大,该应力随SiO₂层厚度的增大而增大,随铜柱直径的增大而先增大后减小,随铜柱高度的增大而减小;最优参数水平组合为铜柱直径50μm、铜柱高度85μm、SiO₂层厚度3μm,优化后的最大热扭耦合应力下降了5.3%。     

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。     

基于模糊理论的随机振动条件下叠层PBGA焊点可靠性分析

对叠层塑料球栅阵列(plastic ball grid array package, PBGA)焊点在随机振动条件下的可靠性进行了研究. 通过模态分析,提取固有频率和振型,接着进行随机振动分析,得到叠层PBGA焊点的应力分布特性;引入模糊理论修正钎料的应力—寿命曲线(S-N curve),并结合三带技术对叠层PBGA焊点随机振动疲劳寿命进行了计算. 结果表明,组件在一阶固有频率下振动时,芯片处的振幅最大;组件边角叠层焊点受到的应力最大,且芯片侧应力大于PCB侧;模糊理论的引入使得1 σ与2 σ应力水平对叠层PBGA焊点产生的损伤得以考虑,从而实现对叠层PBGA焊点振动疲劳寿命更准确预测.     

埋入式BGA焊点可靠性和信号完整性优化

建立了埋入式微尺度球栅阵列(ball grid array, BGA)焊点有限元分析模型和三维电磁仿真模型,分别进行热循环加载分析和信号完整性分析. 选取焊点最大径向尺寸、焊点高度和焊盘直径作为设计变量,以焊点的热疲劳寿命和回波损耗最小为目标,利用正交试验和灰色关联分析相结合的方法对BGA焊点进行多目标优化设计,并通过试验对信号完整性优化结果进行了验证. 结果表明,优化后焊点最大等效应力下降了8.2%,在热疲劳寿命提高了2.15倍的同时回波损耗降低了11.8%,信号完整性试验验证了优化结果的有效性.     

面向完整传输路径的BGA焊点信号完整性分析及优化

建立了基于BGA(ball grid array)焊点的完整传输路径的HFSS(high frequency simulator structure)电磁仿真模型,基于该模型对完整传输路径在高频条件下的信号完整性问题进行了分析,得到了其回波损耗仿真结果,以及焊点最大径向尺寸、焊点高度尺寸、焊盘直径尺寸对回波损耗的影响. 并以焊点最大径向尺寸、焊点高度尺寸、焊盘直径尺寸为设计参数,以完整传输路径6 GHz下的回波损耗作为目标值,设计17组试验仿真计算,采用响应曲面法对仿真计算所得的17组完整传输路径回波损耗与BGA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,得到完整传输路径回波损耗最小的BGA焊点组合参数为焊点最大径向尺寸1.05 mm,焊点高度0.75 mm,焊盘直径0.65 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,实现了完整传输路径中BGA焊点的结构优化.     

基于全面析因试验设计的永磁微加速度开关接触可靠性分析

针对一种新型磁力微加速度开关设计方案,建立了该开关系统的动力学方程,给出了影响开关动作的永磁力、表面接触力计算公式。采用四阶Runge-Kutta法对加速度激励下开关工作过程中永磁力、质量块与触点接触压力等参数的变化规律进行了仿真,对接触压力进行了极差分析和方差分析。选取微加速度开关的3个结构参数（悬臂梁宽度、质量块质量和永磁铁体积）作为关键因素,基于全面析因试验方法设计了该开关27种不同结构参数的水平组合,结果表明：微加速度开关3个结构参数中对接触可靠性影响大小的顺序为永磁铁体积V、悬臂梁宽度w、质量块质量m;可靠性最高的最佳结构参数水平组合为W3m3V1,即W=0．70mm、m=2．00g、V=5．38mm^3;在置信度为99％的情况下,悬臂梁宽度W、永磁铁体积V和质量块质量m对微加速度开关接触可靠性均有显著的影响。     

基于正交试验设计的塑封球栅阵列器件焊点工艺参数与可靠性关系研究

基于正交试验设计法对塑封球栅阵列(PBGA)器件焊点工艺参数与可靠性关系进行了研究.采用混合水平正交表L₁₈(2×3⁷)设计了18种不同工艺参数组合的PBGA测试样件,进行了546小时、最大循环周数2140周的PBGA测试样件可靠性加速热循环试验.基于试验结果进行了极差分析和方差分析;研究了PBGA测试样件寿命的威布尔分布;采用有限元分析方法对热循环加载条件下PBGA焊点内应力应变分布进行了研究.试验结果表明失效焊点裂纹出现于焊点与芯片基板的交界面上.研究结果表明:样件规格对PBGA焊点可靠性有高度显著影响,芯片配重对PBGA焊点可靠性有显著的影响,焊盘直径和钢网厚度对PBGA焊点可靠性无显著影响;最优工艺参数组合为:S2D2G2M1和S2D2G2M2.有限元分析表明在热循环加载条件下PBGA器件内应力最大区域位于焊点与芯片基板的接触面上,裂纹首先在焊点与芯片基板的接触面处产生,有限元分析结果与试验结果相吻合.     

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.