基于焊點(diǎn)形態(tài)及晶粒取向無(wú)鉛互連焊點(diǎn)可靠性有限元分析.pdf

1、互連焊點(diǎn)作為機(jī)械連接和電信號(hào)傳輸通道,很大程度上決定整個(gè)器件或系統(tǒng)的可靠性。電子器件在服役過(guò)程中由于環(huán)境溫度變化或電源開(kāi)關(guān)會(huì)引起溫度的大幅波動(dòng),不同封裝材料間的熱膨脹系數(shù)失配會(huì)使焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中,導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生蠕變疲勞失效。因此,互連焊點(diǎn)可靠性一直是業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。無(wú)鉛互連焊點(diǎn)的性能常常取決于β-Sn本身的性質(zhì)。β-Sn為體心四方結(jié)構(gòu)(a=b=0.5832nm, c=0.3182nm),在c軸方向的力學(xué)性能與a軸和b軸方向存在巨

2、大差異。無(wú)鉛互連焊點(diǎn)往往僅由一個(gè)或幾個(gè)晶粒構(gòu)成,因此通常表現(xiàn)出非常明顯的各向異性。不同晶粒取向構(gòu)成的焊點(diǎn),即使在相同加載條件下,也會(huì)產(chǎn)生明顯不同的熱-機(jī)械響應(yīng),表現(xiàn)出不同的失效模式。
　　采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)焊點(diǎn)測(cè)試,所需時(shí)間較長(zhǎng)和花費(fèi)較大,因此常采用有限元模擬方法來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。而傳統(tǒng)有限元模擬中,一般會(huì)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行外形或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。有限元模型結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化,往往會(huì)導(dǎo)致有限元結(jié)果不準(zhǔn)確,與實(shí)際結(jié)果相差較大。因此,需要考慮焊點(diǎn)外形與各向異性對(duì)焊

3、點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變的影響。
　　本文采用Surface Evolver軟件對(duì)QFP、SOJ、BGA封裝的焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行有限元模擬,并將求解得到的外形文件導(dǎo)入到 ANSYS進(jìn)行外形清理,并添加芯片,引腳等結(jié)構(gòu)。對(duì)QFP、SOJ、BGA封裝外形進(jìn)行電發(fā)熱,熱循環(huán)等情況進(jìn)行有限元模擬,得到其應(yīng)力應(yīng)變分布以及應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖。并對(duì)BGA封裝焊點(diǎn)進(jìn)一步研究,利用 EBSD對(duì)焊點(diǎn)晶粒取向進(jìn)行表征。然后利用納米壓痕技術(shù)獲得典型晶粒取向的載荷-位移曲線,

4、并通過(guò)公式計(jì)算得到典型晶粒取向上焊點(diǎn)的楊氏模量,納米硬度等性能參數(shù)。最終將得到的典型取向上的性能參數(shù)輸入 ANSYS有限元軟件中,將前面的求解模型進(jìn)行切割,利用子模型方法得到有限個(gè)晶粒的焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,為進(jìn)一步研究提供了參考。
　　從載荷-位移曲線可以得出,當(dāng)載荷加載速率越快,蠕變深度越深。在典型取向上所得楊氏模量差別巨大,可達(dá)到三倍左右。在單晶情況下,由于芯片與印刷電路板熱膨脹系數(shù)的失配,焊點(diǎn)主要承受剪切力的作用。應(yīng)變集