無鉛BGA焊點(diǎn)的疲勞壽命評估技術(shù)研究.pdf

1、在熱循環(huán)過程中，焊點(diǎn)受到芯片端和PCB端各組件及本身熱膨脹不匹配效應(yīng)的影響，局部位置會(huì)產(chǎn)生大的應(yīng)力應(yīng)變，過度疲勞后會(huì)有裂紋產(chǎn)生并且擴(kuò)展直至斷裂，引起焊點(diǎn)失效。利用有限元分析工具對焊點(diǎn)進(jìn)行建模仿真，得出應(yīng)力應(yīng)變的分布狀態(tài)、時(shí)間歷程及遲滯回線，可以理解焊點(diǎn)的熱循環(huán)疲勞過程，根據(jù)相關(guān)的疲勞壽命預(yù)測準(zhǔn)則，可以對焊點(diǎn)的壽命進(jìn)行評價(jià)，從而指導(dǎo)焊點(diǎn)的可靠性設(shè)計(jì)。這種方法是現(xiàn)代微電子封裝領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常使用的手段，它可以在工藝制作完成前對焊點(diǎn)的疲勞壽命作出前

2、瞻性地預(yù)測。本文針對無鉛焊料Sn-3.5Ag的BGA焊點(diǎn)進(jìn)行了有限元模擬仿真的研究，主要內(nèi)容及成果如下： 1.利用有限元分析工具ANSYS建立了PBGA封裝的1/4組件模型，并采用統(tǒng)一的粘塑性Anand本構(gòu)方程來描述焊點(diǎn)的力學(xué)行為，之后對模型施加一定約束條件并加載溫度循環(huán)載荷經(jīng)ANSYS求解器計(jì)算，提取其計(jì)算結(jié)果來研究焊點(diǎn)的疲勞性能；考慮到熱循環(huán)過程中焊點(diǎn)所受的復(fù)雜應(yīng)力情況，依照第四強(qiáng)度理論，提取vonMises應(yīng)力應(yīng)變作為研究

3、對象，同時(shí)將第三強(qiáng)度理論要求的最大剪切應(yīng)力應(yīng)變也作為研究對象來與第四強(qiáng)度理論的分析結(jié)果進(jìn)行對比。 2.研究顯示：隨著溫度循環(huán)載荷的施加，焊點(diǎn)陣列會(huì)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力應(yīng)變分布，局部位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中和大的塑性應(yīng)變，考慮此兩方面的因素，得知陣列的內(nèi)側(cè)焊點(diǎn)為疲勞失效最易首先發(fā)生的所在；進(jìn)一步分析了這些疲勞失效點(diǎn)處的應(yīng)力和應(yīng)變的時(shí)間歷程和相應(yīng)的遲滯回線，從分析中得知隨循環(huán)時(shí)間的增加，應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，但在高溫保持段的兩側(cè)出現(xiàn)了大的瞬間波動(dòng)

4、；而塑性應(yīng)變有明顯增大的趨勢，從遲滯回線的分析中得知隨著循環(huán)次數(shù)的增加，回線會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)，這是疲勞失效的顯著特征。 3.建立了帶空洞的BGA焊點(diǎn)模型，并對其進(jìn)行有限元分析。通過研究得出：中心空洞的存在對焊點(diǎn)的底部和頂部的高應(yīng)力區(qū)向焊點(diǎn)內(nèi)部的延伸有阻礙作用，但若空洞和焊點(diǎn)的截面積比超過20％，高的應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在空洞內(nèi)部靠近焊點(diǎn)頂部的位置；若空洞位于無空洞的模型分析里焊點(diǎn)本身的高應(yīng)力區(qū)（焊點(diǎn)頂部），會(huì)使應(yīng)力分布發(fā)生很大的改變，在降低

5、了空洞所在焊點(diǎn)處應(yīng)力應(yīng)變的同時(shí)，原本的高應(yīng)力區(qū)已經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入空洞區(qū)域，隨著空洞尺寸的增大，擴(kuò)散區(qū)會(huì)越來越大；若空洞位于無空洞的模型分析里焊點(diǎn)本身的低應(yīng)力區(qū)（焊點(diǎn)底部），同樣會(huì)對原本的應(yīng)力分布產(chǎn)生大的影響，使高應(yīng)力區(qū)的范圍向焊點(diǎn)內(nèi)部延伸，但此位置空洞的尺寸對應(yīng)力分布的改變作用不大；不論空洞出現(xiàn)在高應(yīng)力區(qū)，還是低應(yīng)力區(qū)，都使得陣列中原本存在最大應(yīng)力和最大塑性應(yīng)變的點(diǎn)從空洞所在的焊點(diǎn)處轉(zhuǎn)移到了別的與此焊點(diǎn)受力完全不同的焊點(diǎn)上，這體現(xiàn)了存在空洞的