细间距器件SnAgCu焊点热疲劳性能研究

通过试验和数值模拟两种方法分析细间距器件SnAgCu焊点的热疲劳寿命。采用-55～125℃温度循环试验,发现SnAgCu焊点疲劳寿命约为1150次。基于Anand方程和Wong方程两种本构模型,针对两类疲劳寿命预测方程进行对比研究。结果显示,基于两种模型计算的SnAgCu焊点应力时间历程曲线具有相类似的趋势,但是应力值有较大差别。针对两类疲劳寿命预测方程,结合试验研究分析焊点的疲劳寿命,基于Wong方程结合双蠕变模型计算的疲劳寿命值和试验结果吻合良好,而基于Anand方程结合Engelmaier修正的Coffin-Mason方程计算的疲劳寿命略高于试验结果。     

FCBGA器件SnAgCu焊点的热冲击可靠性分析

采用有限元法和Garofalo-Arrheninus稳态本构方程,在热冲击条件下对倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）器件SnAgCu焊点的可靠性进行分析. 结果表明,Sn3.9Ag0.6Cu焊点的可靠性相对较高. 通过分析SnAgCu焊点的力学本构行为,发现焊点应力的最大值出现在焊点与芯片接触的阵列拐角处. 随着时间的推移,SnAgCu焊点的应力呈周期性变化. Sn3.9Ag0.6Cu的焊点应力和蠕变最小,Sn3.8Ag0.7Cu焊点应力和蠕变次之,Sn3.0Ag0.5Cu焊点应力和蠕变最大,与实际的FCBGA器件试验结果一致. 基于蠕变应变疲劳寿命预测方程预测三种SnAgCu焊点的疲劳寿命,发现Sn3.9Ag0.6Cu焊点的疲劳寿命比Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.8Ag0.7Cu焊点的疲劳寿命高.     

WLCSP器件Sn3.9Ag0.6Cu焊点疲劳寿命预测

基于蠕变模型采用有限元法对WLCSP30器件Sn3.9Ag0.6Cu焊点可靠性及疲劳寿命进行预测.研究发现WLCSP器件整体的最大应力集中在阵列最拐角焊点的上表面处,该部位可能成为焊点裂纹的发源地,试验结果也验证了模拟结果的正确性.对焊点应力—应变分析,发现焊点部位出现明显的蠕变应变和蠕变应变能累积现象,结合焊点疲劳寿命方程,预测焊点疲劳寿命,发现基于蠕变应变能密度的计算结果和试验结果较吻合,但是基于蠕变应变的预测结果和试验结果相差较大,因此基于蠕变应变的疲劳寿命预测方程需要进一步的研究.     

基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测

Anand模型采用有限元法模拟WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu-X（Ce,Fe）无铅焊点在热循环载荷条件下的应力-应变响应,借助蠕变应变疲劳寿命预测模型SnAgCu,SnAgCuCe,SnAgCuFe焊点疲劳寿命.结果表明,在服役器件整体器件出现明显的变形现象,电路板翘曲严重.从中心到拐角焊点变形-应力-应变逐渐增加,芯片下拐角焊点成为整个结构潜在的危险区域.通过计算WLCSP器件SnAgCu、SnAgCuCe和SnAgCuFe三种焊点的疲劳寿命,证实了SnAgCuCe和SnAgCuFe焊点寿命明显高于SnAgCu焊点,证明了在SnAgCu中添加一定量的铈和铁可以显著提高SnAgCu焊点的使用寿命,分析结果为新型无铅钎料的研发提供理论支撑.     

基于蠕变模型倒装芯片焊点疲劳寿命预测

采用有限元方法对倒装芯片的焊点进行数值模拟计算分析。结果表明,等效蠕变应变和等效塑性应变的最大值在芯片下的边缘焊点上表面;对焊点应力应变进行时间历程处理,在循环的开始阶段,应力松弛现象显著,同时塑性应变和蠕变应变都存在累积叠加趋势;对应力应变迟滞回线研究,发现曲线呈现周期性变化,随着温度的循环加载并趋于稳定。凭借Solomon模型和Shine and Fox模型,基于塑性应变和蠕变应变的交互作用,计算焊点的疲劳寿命,模拟结果和实际情况基本接近。     

倒装焊底充胶分层与SnPb焊点热疲劳的可靠性

采用实验和有限元模拟,研究了底充胶分层和ＳｎＰｂ焊点的可靠性。结果表明,底充胶分层易发生在芯片／底充胶界面边缘处;当底充胶与芯片粘合强度较弱时,底充胶的早期分层是焊点中裂纹萌生扩展从而导致失效的直接原因;当底充胶与芯片粘合强度较强时,分层可以削弱底充胶对焊点的机械耦合作用,从而影响焊点的热循环寿命,此时,焊点热疲劳裂纹是焊点失效的直接原因。     

疲劳寿命预测方法综述

综述了疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命的预测方法,评述了各种不同预测方法的基本假设、估算步骤和特点,并对疲劳寿命预测方法进一步的发展方向作了展望。     

倒装焊Sn—Pb焊点的热疲劳失效

对倒装焊Sn-Pb焊点进行了热循环实验,结合三维全局有限元模拟的结果,研究了Sn-Pb焊点热疲劳失效,结果表明,充胶后焊点内塑性应变范围减小近一个数量级,从而显著降低焊点的疲劳损伤后,由于底充胶改变了Sn-Pb焊点应力、应变分布,使得充胶前后焊点裂纹位置发生改变,Sn-Pb焊点热疲劳裂纹萌生于粗化的富Sn相,并穿过富Pb相沿Sn相生长,Sn和Pb晶粒的非均匀粗化趋势与模拟给出的剪切应变轴向分布一致。     

CBGA器件温度场分布对焊点疲劳寿命影响的有限元分析

陶瓷封装器件的可靠性一直是电子封装领域关注的热点,目前有限元模拟方法在分析焊点疲劳寿命时大多采用了均一温度假设条件,而陶瓷封装器件由于自身材料性质,在热循环载荷下其内部温度场并不均匀.文中在传统经典理论的基础上利用ANSYS有限元软件采用六面体网格划分技术对16×16阵列的陶瓷球栅阵列（ceramic ball grid array,CBGA）封装模型在热循环载荷下的可靠性进行了仿真分析.考虑了热循环加载过程中CBGA器件内部的温度场分布,使用热力耦合模型讨论了均一温度假设在不同条件下的合理性.结果表明,考虑温度场分布的情况下预测的疲劳寿命要低于均一温度假设条件,为温度均一假设适用条件提供了判断依据.     

极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测

深空探测的环境多为极低温大温变环境,研究电子器件在此极限条件下的可靠性具有重要意义. 采用多线性等向强化(MISO)本构模型描述Sn63Pb37和Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)焊料的力学本构行为,分析陶瓷球栅阵列(ceramic ball grid array,CBGA)焊点阵列在极限温度(-180～+150℃)热冲击载荷下的应力应变分布情况,最后根据基于能量的Darveaux疲劳模型预测CBGA焊点的热冲击疲劳寿命. 结果表明,局部热失配导致应力最大点出现在边角焊点陶瓷载体一侧的焊盘与钎料界面,极限温度热冲击载荷下焊点的疲劳寿命远低于标准温度循环载荷下的疲劳寿命.     

基于蠕变模型倒装芯片焊点疲劳寿命预测

焊点可靠性预测研究多采用有限元仿真与单一精度近似模型相结合的模式,存在仿真时间长、效率低、准确性差等问题,为此,提出了一种基于变可信度近似模型的球栅阵列(ball grid array,BGA)焊点可靠性预测与优化方法.首先, 对不同网格细化方案进行收敛性验证,分别设计高/低精度样本点进行有限元仿真;其次,基于Co-Kriging模型融合高/低精度仿真数据进行焊点可靠性预测;最后,将预测结果与单一精度近似模型进行对比分析,并采用遗传算法优化模型获得对应结构参数.结果表明,在更少的仿真成本下,变可信度模型的预测效果更好,在同等预测精度下,变可信度模型高精度样本点数量仅为单一精度模型的1/4,相比高精度神经网络预测模型,在寻优过程中收敛更快.

     

QFP组件的优化模拟及焊点热疲劳寿命的预测

采用有限元方法研究了方形扁平式封装QFP(quad flat package)组件的优化模拟及引线宽度与间距对焊点疲劳寿命的影响规律.结果表明,在QFP64组件的所有焊点中,最外侧焊点的正前面存在最大应变值,易产生裂纹,发生疲劳破坏,为组件的最脆弱部位.QFP引线间距固定时,随着引线宽度的增加,焊点等效应变值逐渐增加,焊点可靠性降低,热疲劳寿命降低;QFP引线宽度固定时,随着引线间距的增加,存在一个焊点热疲劳寿命最大值;所选取的计算模型中,当引线宽度为0.15 mm,引线间距为0.45 mm时,焊点可靠性最高,组件具有最长的疲劳寿命.     

激光-电弧复合焊接7075-T6铝合金裂纹扩展分析

研究了7075-T6铝合金薄板激光复合焊焊接接头疲劳裂纹扩展寿命.同时通过试验建立了不同热输入与弹性模量之间的函数关系并预测了给定热输入下的疲劳寿命.基于改进的Forman公式,提出了一种考虑7075-T6复合焊接头性能差异性、应力强度因子门槛值、裂纹扩展驱动力以及残余应力等多因素耦合的接头寿命预测模型.通过有限元模拟仿真并结合裂纹扩展和接头拉伸试验,对提出的模型进行了验证.结果表明,该模型预报的接头寿命与试验结果吻合较好.     

塑封球栅阵列焊点热疲劳寿命预测有限元方法

选取典型的塑封球栅阵列封装器件,将其建模为由封装外壳、硅芯片和基板组成的三层结构,采用粘塑性材料模式描述锡铅钎料的力学本构关系,建立器件的三维有限元模型,通过有限元仿真得到焊点的应力应变分布云图、应力应变回线及关键焊点的应变范围,最后根据基于应变的Engelmaier疲劳模型预测塑封球栅阵列焊点的寿命.结果表明,在热循环条件下,塑封球栅阵列封装器件的关键焊点的位置位于器件芯片边缘的正下方,并不位于最边缘的焊点处,为改进塑封球栅阵列焊点的热疲劳可靠性提供了依据.