無鉛過渡時期混合組裝PBGA焊點可靠性及封裝體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、為了應(yīng)對歐盟的《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令》(RoHS指令)和其它國家的無鉛法規(guī),電子制造業(yè)正進入一個無鉛化的轉(zhuǎn)移過程。無鉛轉(zhuǎn)移是一項系統(tǒng)工程,無論是從技術(shù)上還是我國目前的電子制造技術(shù)現(xiàn)狀來講,無鉛轉(zhuǎn)移都將在相當(dāng)長一段時間之內(nèi)面臨有鉛與無鉛混合組裝這一過渡時期。對于混合焊點,從設(shè)計到材料,再到整個組裝工藝都沒有標(biāo)準(zhǔn)可循,焊點的可靠性問題將更加突出,組裝工藝更難控制。因此對混合焊點可靠性進行研究,不僅對當(dāng)前過渡時期各類

2、消費類電子產(chǎn)品具有重要應(yīng)用價值,而且更重要的是對解決軍工、醫(yī)療、通信基站等高可靠性要求的電子產(chǎn)品的混合組裝問題具有重要意義。
　　本文采用有限元數(shù)值模擬方法,針對PBGA272封裝器件,建立了1/8三維有限元模型,分析了焊點陣列在熱循環(huán)條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,確定了易發(fā)生疲勞失效關(guān)鍵焊點的位置;運用子模型分析法,選用以能量為基礎(chǔ)的Darveaux壽命預(yù)測模型對混合焊點在熱循環(huán)下的疲勞壽命進行了預(yù)測,并與其它類型材料焊點的可靠性進

3、行了對比;然后采用正交試驗設(shè)計法對封裝體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化,主要考慮了結(jié)構(gòu)參數(shù)中PCB尺寸、PCB厚度、芯片尺寸、芯片厚度、基板尺寸、基板厚度、焊球高度和焊球半徑這8個因素進行正交試驗,采用極差分析、方差分析和在MINITAB中進行分析等多種分析方法,得出了各因素對后向兼容焊點Von-Mises最大等效應(yīng)變的影響程度,并獲得了一組最佳的參數(shù)組合,達到減少最大等效應(yīng)變的目的,以減少封裝體受破壞的可能性。
　　研究結(jié)果表明,在熱循環(huán)條件

4、下:
　　(1)在PBGA272封裝體1/8對角線方向上,離中心參考原點最遠處的焊點(即角落處焊點)具有最大等效應(yīng)力、塑性應(yīng)變,易發(fā)生疲勞失效,此位置的焊點為焊點陣列的關(guān)鍵焊點。焊點破壞時,裂紋都是由與基板或PCB接觸面處開始發(fā)生。
　　(2)后向兼容焊點應(yīng)力應(yīng)變呈周期性的變化規(guī)律。恒溫狀態(tài),由于焊點是粘塑性材料,具有潛變性能,維持恒溫有應(yīng)力松弛現(xiàn)象,導(dǎo)致等效應(yīng)力值降低;溫度由125℃降低到-40℃的過程,應(yīng)力快速上升;-4

5、0℃上升到125℃的過程,屬于卸載過程,會有明顯的應(yīng)力降低現(xiàn)象,因此升溫和降溫過程對焊點熱疲勞壽命的影響最大;
　　(3)各材料焊點的熱疲勞壽命趨勢為:后向兼容焊點(BWC)>無鉛焊點(LF)>Sn-Pb焊點(Pb)>前向兼容焊點(FWC)。說明只要工藝參數(shù)控制合理,無鉛焊球與錫鉛焊膏達到充分混合,后向兼容焊點的可靠性是完全可以接受的。
　　(4)封裝體結(jié)構(gòu)參數(shù)對后向兼容焊點最大等效應(yīng)變的影響程度為:基板厚度﹥焊點半徑﹥焊點