球柵陣列無鉛焊點(diǎn)隨機(jī)振動載荷下失效機(jī)理與壽命預(yù)測.pdf

1、現(xiàn)代電子設(shè)備服役期間除了熱應(yīng)力,還會遭受許多不同形式的振動與加速度水平,比如應(yīng)用在航空航天、汽車或軍用設(shè)備上的微電子產(chǎn)品在使用過程中往往處于嚴(yán)重的振動環(huán)境,其可靠性將受到很大的影響,而且美國空軍AVIP(Avionics Integrity Program)已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明20％電子產(chǎn)品失效是源于振動沖擊。焊點(diǎn)承擔(dān)電氣連接與機(jī)械連接的雙重作用,因而焊點(diǎn)的可靠性是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用時的核心問題之一。板級連接焊點(diǎn)在服役過程中雖然伴隨著循環(huán)的

2、熱—機(jī)械應(yīng)力作用,易發(fā)生熱疲勞和蠕變;但若處于嚴(yán)重的振動沖擊環(huán)境中,極易導(dǎo)致產(chǎn)品的機(jī)械或功能損壞,很多產(chǎn)品在遠(yuǎn)未達(dá)到熱疲勞壽命時就由于振動沖擊引發(fā)產(chǎn)品性能故障。板級連接焊點(diǎn)的振動可靠性問題己成為電子工業(yè)界亟待解決的研究課題。電子工業(yè)的“無鉛化”成為發(fā)展的必然趨勢,因此,開展無鉛電子產(chǎn)品板級連接焊點(diǎn)的可靠性研究具有重要意義。雖然對無鉛焊點(diǎn)振動可靠性的研究越來越多,但絕大部分學(xué)者都是考慮簡諧激勵下板級封裝無鉛焊點(diǎn)的振動可靠性,而實(shí)際上,處在

3、振動環(huán)境中的大多數(shù)電子設(shè)備都是遭受隨機(jī)激勵而不是簡諧激勵。
　　 因此本項(xiàng)目以電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的球柵陣列(Ball grid array,簡稱BGA)封裝為研究對象,致力于隨機(jī)振動載荷下BGA無鉛焊點(diǎn)的失效機(jī)理與壽命預(yù)測研究,尋找隨機(jī)振動載荷下BGA無鉛焊點(diǎn)的失效規(guī)律,以提高焊點(diǎn)可靠性為研究目標(biāo),開展了一系列實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬與理論研究。
　　 1.采用錘擊法與非接觸式激光電視全息技術(shù)兩種方法分別對試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析.后

4、者能得到更好的測試結(jié)果。激光全息技術(shù)利用VibroMap1000激光測振系統(tǒng)對試件進(jìn)行了三個不同位置激勵及不同邊界預(yù)緊力的模態(tài)實(shí)驗(yàn),探求這幾種情形對試件實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果的影響。
　　 2.詳細(xì)論述了試件的窄帶隨機(jī)振動疲勞實(shí)驗(yàn)過程與方法,將金相實(shí)驗(yàn)分析、能譜分析與動態(tài)電壓變化情況相結(jié)合研究BGA無鉛焊點(diǎn)的失效機(jī)理。從試驗(yàn)過程與分析結(jié)果得出如下結(jié)論:隨機(jī)振動載荷下PCB組件上BGA封裝外圍拐角處焊點(diǎn)最先失效;隨機(jī)振動過程中板級封裝無

5、鉛焊點(diǎn)失效的根本原因是機(jī)械振動和PCB往復(fù)彎曲使拐角焊點(diǎn)承受反復(fù)的拉壓循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致的;隨著輸入加速度功率譜密度(PSD)幅值增大,BGA無鉛焊點(diǎn)的失效模式亦不相同(從靠近PCB一側(cè)的焊球體的疲勞斷裂演變?yōu)榭拷麭GA一側(cè)的Ni/金屬間化合物(IMC)間的脆性斷裂)。
　　 3.建立三維有限元模型,采用基礎(chǔ)激勵法模擬了隨機(jī)振動載荷下試件的動力響應(yīng)。比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬分析得到的PCB中心位移的PSD和均方根(RMS)結(jié)果驗(yàn)證了模型的有