BGA焊點(diǎn)在地震及沖擊載荷下的動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、表面貼裝技術(shù)作為新一代封裝技術(shù)，有成本低、集成度高、電子組件重量輕、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代電子工業(yè)的主要封裝形式，然而它也存在連接元器件和電路板的焊點(diǎn)易失效的問題。造成焊點(diǎn)失效的起因主要有熱/功率循環(huán)；PCB彎曲、振動(dòng)；沖擊和跌落三種。由于熱疲勞失效是焊點(diǎn)失效的主要因素，所以關(guān)于焊點(diǎn)可靠性的很多研究都集中在熱失效上。但是在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)環(huán)境中，焊點(diǎn)失效的主要因素是振動(dòng)沖擊，振動(dòng)沖擊環(huán)境因素對(duì)電子封裝可靠性的影響已逐漸引起了半導(dǎo)體集成電路

2、行業(yè)的重視，但到目前為止，瞬態(tài)沖擊和隨機(jī)振動(dòng)對(duì)焊點(diǎn)可靠性的研究都不夠系統(tǒng)和深入，所投入的研究力度遠(yuǎn)不如對(duì)熱循環(huán)造成焊點(diǎn)失效的研究，因此對(duì)SMT焊點(diǎn)進(jìn)行這方面的研究是很有必要的。 本文采用試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法，主要研究安裝在機(jī)柜或機(jī)箱中電路板上的BGA焊點(diǎn)在地震和沖擊載荷下的應(yīng)力分布。 首先，采用錘擊法測(cè)定帶芯片、電子元器件及BGA焊點(diǎn)的電路板系統(tǒng)自由－自由狀態(tài)下的模態(tài)頻率，以電路板系統(tǒng)的固有特性－模態(tài)頻率作為檢驗(yàn)

3、電路板系統(tǒng)有限元模型的依據(jù)；利用錘擊法和激光全息技術(shù)相結(jié)合測(cè)試電路板安裝在機(jī)箱中的模態(tài)，作為機(jī)柜－電路板系統(tǒng)或機(jī)箱－電路板系統(tǒng)有限元模型中確定電路板與機(jī)箱連接條件的依據(jù)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電路板安裝在機(jī)箱中，槽的位置不同對(duì)電路板模態(tài)的影響不大。 接著，根據(jù)NEBS標(biāo)準(zhǔn)（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)要求）計(jì)算機(jī)柜－電路板系統(tǒng)在地震載荷作用下焊點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)，得到了機(jī)柜的頻率和電路板系統(tǒng)的特性，探討了電路板在機(jī)柜中的安裝方向?qū)更c(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)

4、機(jī)柜基頻越低，機(jī)柜在地震載荷下的響應(yīng)越大，但是只要設(shè)計(jì)時(shí)保證電路板平面垂直于機(jī)柜剛度最小方向，就可以避免焊點(diǎn)應(yīng)力過大，此時(shí)對(duì)焊點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)起主導(dǎo)作用的是電路板的頻率，所以為了減小焊點(diǎn)應(yīng)力，應(yīng)該盡可能提高安裝在機(jī)柜或機(jī)箱中電路板系統(tǒng)的基頻。 最后，根據(jù)IEC68-2-27要求，通過有限元模擬考察BGA焊點(diǎn)的抗沖擊能力。為了建立室外機(jī)箱－電路板系統(tǒng)的有限元模型，先對(duì)室外機(jī)箱進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，測(cè)得其幾階模態(tài)頻率，以此檢驗(yàn)室外機(jī)箱的有限元模型

5、，再利用前面模態(tài)試驗(yàn)獲得的電路板安裝在機(jī)箱中的模態(tài)頻率，確定電路板與機(jī)箱的連接條件，將電路板系統(tǒng)的有限元模型和機(jī)箱的有限元模型耦合。對(duì)室外機(jī)箱－電路板系統(tǒng)施加沖擊基礎(chǔ)激勵(lì)，得到焊點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)。有限元模擬結(jié)果表明，芯片下同一列焊點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)變化的梯度較大，近芯片角端焊點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)最大，單個(gè)焊點(diǎn)的頂部和底部應(yīng)力響應(yīng)較大，焊點(diǎn)靠近電路板處的底部應(yīng)力響應(yīng)最大。因此，安裝在室外機(jī)箱中電路板上芯片下的BGA焊點(diǎn)在沖擊載荷下角端焊點(diǎn)最易失效，失效裂紋一