倒装芯片封装结构中SnAgCu焊点热疲劳寿命预测方法研究

由于焊点区非协调变形导致的热疲劳失效是倒装芯片封装（包括无铅封装）结构的主要失效形式.到目前为止,仍无公认的焊点寿命和可靠性的评价方法.文中分别采用双指数和双曲正弦本构模型描述SnAgCu焊点的变形行为,通过有限元方法计算焊点累积蠕变应变和累积蠕变应变能密度,进而据此预测倒装芯片封装焊点的热疲劳寿命.通过实验验证,评价上述预测方法的可行性.结果表明,倒装芯片的寿命可由芯片角焊点的寿命表征;根据累积蠕变应变能密度预测的焊点热疲劳寿命比根据累积蠕变应变预测的焊点热疲劳寿命更接近实测数据;根据累积蠕变应变预测的热疲劳寿命比根据累积蠕变应变能密度预测的热疲劳寿命长;采用双指数本构模型时,预测的焊点热疲劳寿命也较长.     

基于数值模拟的多圈QFN封装热疲劳可靠性试验设计方法

提出一种基于数值模拟的试验设计方法,研究材料属性和几何结构对多圈四边扁平无引脚(Quad flat no-lead,QFN)封装热疲劳寿命的影响,并进行最优因子的组合设计,以提升热疲劳可靠性。采用Anand黏塑性本构模型描述无铅钎料Sn3.0Ag0.5Cu的力学行为,建立三维有限元模型分析焊点在温度循环过程中的应力应变,采用Coffin-Manson寿命预测模型计算多圈QFN封装的热疲劳寿命。采用Taguchi试验设计(Design of experiment,DOE)方法建立L27(38)正交试验表进行最优因子的组合设计。采用有限元分析方法对最优因子组合设计结果进行验证。结果表明,印制电路板(Printed circuit board,PCB)的热膨胀系数、焊点的高度和塑封料的热膨胀系数对热疲劳寿命的影响最为显著;初始设计情况下多圈QFN封装的热疲劳寿命为767次;最优因子组合设计情况下的热疲劳寿命提高到4 165次,为初始设计情况下的5.43倍。     

BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型,阐明其与连续介质损伤力学的联系,评估应力三轴度对预测模型的影响,并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列(Ball grid array,BGA)结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点(高度为500～100 μm,焊盘直径为480 μm)疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明,疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系;应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率,并最终影响焊点的疲劳寿命;应力三轴度与加载方式有关,拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响,应力三轴度随焊点高度降低而明显升高;而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限,焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小;测得的高度为100 μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命,表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。     

带预应力BGA焊点温循可靠性评估方法研究

文中首先制作了无铅焊料SAC305的拉伸试样,在不同温度和应变率条件下进行了单轴拉伸试验,研究其力学性能;进行了Anand本构模型的研究和参数拟合分析,通过非线性拟合方法获得了Anand模型的9个参数,应用有限元仿真软件ABAQUS建立模型来预测应力–应变曲线,将其与试验数据曲线相比较,两者结果基本吻合。其次,通过仿真测试对比分析散热器装配预应力对芯片焊点温度循环（以下简称温循）可靠性的影响。基于以上试验和数据拟合得到的Anand模型参数,建立散热器及球形栅格阵列（Ball Grid Array, BGA）器件的四分之一对称三维模型进行模拟,分析有或无散热器两种状态下,模型在?40 ?C ～ 125 ?C温循载荷下的焊点应变,利用coffin-manson公式对焊点寿命进行了预测。仿真及测试结果均表明,应变最大值位于器件角上焊点与芯片接触侧,装配预应力对焊点温循寿命存在影响。     

一种基于平均应力强度因子的焊点疲劳寿命预测方法

传统的焊点疲劳仿真分析方法主要有基于力的LBF方法和基于应力的LMS方法,针对这两种方法所存在的预测精度不高、建模和计算效率偏低等问题,提出一种新的焊点疲劳寿命预测方法,该方法从断裂力学的角度考虑焊点的疲劳失效,采用一种模块化焊点模型,通过有限元提取焊点周围各节点的节点力和力矩,进而推算出焊点裂纹在板厚扩展路径上的平均应力强度因子作为疲劳寿命的评价参量。通过对HSLA340GI和DP600GI两种高强钢材料、4种不同厚度的电阻点焊接头进行剪切疲劳试验,将该平均应力强度因子与试验所得的焊点疲劳寿命数据进行双对数回归分析,得到一条平均应力强度因子与疲劳寿命的拟合曲线作为焊点的疲劳寿命预测曲线,并与传统的LBF和LMS方法进行预测精度的对比分析,结果表明本文的焊点疲劳寿命预测方法的预测精度高于传统的LBF和LMS方法。     

PBGA焊点的热疲劳寿命分析

采用焊点阵列数学分析的方法得到阵列在热循环载荷作用下,由于元件、焊点及基板的热膨胀系数不匹配所产生的阵列对关键点焊点的热位移影响。然后利用焊点盛开有软件得到焊点的形态,通过编制相关转换程序进行关键焊点的非一有限元分析,从而得到关键焊一内的最大变值,利用低周热疲劳寿命预测公式得到焊点的热疲劳寿命。     

热作模具热疲劳寿命评估及预测方法的研究进展

热作模具服役过程中存在温度及机械载荷的循环变化，产生变形及失效的机理复杂，故热作模具热疲劳寿命的评估预测是模具应用研究的难点。结合现有研究成果，介绍了热应力疲劳研究中可用于热作模具热疲劳寿命评估及预测的方法, 从唯象寿命模型和损伤累积模型两个角度分别阐述了热作模具热机械疲劳寿命的研究,并对热作模具热疲劳寿命预测的发展趋势进行了展望。     

基于焊点形态的工艺参数对底部引线塑料封装器件焊点可靠性影响分析

选取焊盘长度、焊盘宽度、钢网厚度和间隙高度为四个关键因素,采用水平正交表L25(56)设计25种不同参数水平组合的底部引线塑料封装(bottom leaded plastic,BLP)器件焊点,建立25种焊点的形态预测模型和有限元分析模型;对热循环加载条件下BLP焊点进行非线性有限元分析,计算25种不同焊点形态的BLP焊点热疲劳寿命;基于热疲劳寿命计算结果进行极差分析.结果表明,四个因素对BLP焊点热疲劳寿命影响由大到小的顺序依次是焊盘宽度、焊盘长度、间隙高度和钢网厚度;可靠性最高的BLP焊点工艺参数水平组合为焊盘长度1.1 mm、焊盘宽度0.65 mm、钢网厚度0.15 mm和间隙高度0.09 mm.     

考虑修正平均等效应力强度因子的焊点缺陷疲劳寿命研究

提出了一种基于超声回波的焊点缺陷疲劳寿命预测评价方法。该方法采用模糊数学理论，基于超声回波特征获得损伤系数，然后综合考虑法向应力、剪切应力和初始缺陷的影响，将焊点缺陷在裂纹扩展路径上的修正平均等效应力强度因子作为疲劳评价的参量。通过对DP600GI材料的合格焊点、焊核过小焊点和烧穿焊点的接头进行疲劳试验，比较不同缺陷对焊接疲劳寿命的影响，得到一条修正平均等效应力强度因子与疲劳寿命的拟合曲线作为含初始缺陷的焊点疲劳寿命预测曲线，研究结果表明，该曲线能有效预测含初始缺陷的点焊接头的疲劳寿命。该方法有助于合理设计电阻点焊的缺陷容限。     

电子电路中焊点的热疲劳裂纹扩展规律

采用试验方法研究表面贴装结构焊点在热疲劳过程中的疲劳裂纹扩展规律。试验研究中选用两种不同尺寸的焊盘及两种不同的钎料(包括传统的锡铅钎料和锡银铜无铅钎料SAC305),通过观测焊点截面上的裂纹萌生及扩展过程来研究焊点中的热疲劳裂纹扩展规律。研究结果表明,在热疲劳过程中,焊点经历热疲劳裂纹萌生和扩展的两个不同阶段,其中裂纹萌生所占的时间比例较小。在热疲劳后期,裂纹贯穿整个焊点从而造成焊点结构失效。研究发现,焊点结构失效过程中存在着两种不同的裂纹扩展模式,并且锡铅钎料焊点和SAC305无铅钎料焊点的裂纹扩展规律表现出明显的差异。另外研究还发现,当焊盘尺寸较小时,焊点的抗热疲劳性能相对较差;SAC305无铅钎料焊点的抗热疲劳性能优于传统锡铅钎料焊点。