LGA焊点形态对焊点寿命影响的有限元分析

通过Surface Evolver软件对LGA焊点进行了三维形态预测,利用有限元数值模拟对LGA焊点在热循环条件下寿命进行了分析。研究了热循环条件下LGA焊点的应力应变分布规律,随着焊点远离元件的中心位置焊点所受到的等效应力、等效应变和塑性应变能密度逐渐增大,从而得出处于外面拐角的焊点最先发生失效的结论。基于塑性应变范围和Coffin-Manson公式计算了焊点热疲劳寿命;找出了LGA焊点形态对焊点寿命的影响规律,模板厚度一定时PCB焊盘尺寸小于上焊盘时LGA焊点的热疲劳寿命与PCB焊盘尺寸成正比,大于上焊盘时成反比,大约相等时焊点寿命最大。当PCB焊盘和模板开孔尺寸固定时,通过增大模板厚度来增加焊料体积在一定程度上可提高LGA焊点的热疲劳寿命,但是模板厚度增大到一定值时LGA焊点寿命会逐渐降低。     

柔性凸点热-结构耦合应力应变有限元分析

建立了芯片尺寸封装焊点的柔性凸点三维有限元分析(FEA)模型,对该模型进行了热-结构耦合有限元分析,研究了热-结构耦合条件下柔性凸点温度场和应力应变的分布规律,对比了有无柔性层结构的凸点内应力应变的大小,分析了柔性层厚度、上下焊盘直径对柔性凸点应力应变的影响。结果表明:柔性层结构有效降低了凸点内的应力应变;随着柔性层厚度的增加,凸点内最大应力应变减小;随上焊盘和下焊盘直径的增加,凸点内最大应力应变的变化无明显规律。     

微尺度BGA焊点拉伸过程有限元仿真分析

建立了微尺度 BGA焊点拉伸有限元分析模型,研究了拉伸加载条件下焊点高度、直径和焊盘直径对焊点拉伸应力应变的影响。结果表明：拉伸条件下,微尺度 BGA焊点顶端和底端的应力应变要大于焊点中间部分,焊点顶部和底部位置为高应力应变区域;在只单一改变焊点高度、直径和焊盘直径其中之一的前提下,随着焊点高度、直径和焊盘直径的增加,微尺度BGA焊点内的最大应力应变均相应减小;在置信度为90%的情况下,焊点直径对拉伸应力影响最大,其次是焊盘直径,最后是焊点高度;焊点直径对焊点拉伸应力具有显著影响,焊盘直径和焊点高度对焊点拉伸应力影响不显著。     

IMC生长对无铅焊球可靠性的影响

通过模拟及实验研究了IMC层及其生长对无铅焊点可靠性的影响.采用回流焊将无铅焊球(Sn3.5Ag0.7Cu)焊接到PCB板的铜焊盘上,通过-55～125℃的热循环实验,获得了IMC厚度经不同热循环次数后的生长规律.采用有限元法模拟了热循环过程中IMC厚度生长对无铅BGA焊点中应力变化的影响,并由能量疲劳模型预测了无铅焊点寿命.计算结果显示,考虑IMC层生长所预测的焊点热疲劳寿命比不考虑IMC层生长时缩短约30%.     

基于扭转载荷的微尺度CSP焊点应力应变分析与优化

建立了微尺度芯片尺寸封装焊点有限元分析模型并对其进行扭转应力应变仿真分析与实验验证.分析了焊点材料、焊点直径、焊盘直径和焊点高度对焊点扭转应力应变的影响;以焊点材料、焊点直径、焊盘直径和焊点高度为设计变量,采用响应面法设计了29组不同水平组合的焊点模型并获取了相应焊点扭转应力,建立了焊点扭转应力与焊点结构参数的回归方程,结合遗传算法对焊点结构参数进行了优化.结果表明：焊点材料为SAC305时扭转应力应变最大,焊点最大扭转应力应变随焊点直径和焊盘直径增加而减小、随焊点高度增大而增大;最优焊点结构参数水平组合为：焊点材料SAC305、焊点直径0.22mm、焊盘直径0.14mm和焊点高度0.14mm;仿真验证表明最优焊点最大扭转应力下降了3.7MPa.     

基于回归分析和遗传算法的BGA焊点功率载荷热应力分析与优化

建立了球栅阵列BGA（Ball Grid Array）焊点有限元分析模型,选取焊点高度、焊点最大径向尺寸、上焊盘直径和下焊盘直径作为设计变量,以焊点应力作为目标值,采用响应曲面法设计了29组不同水平组合的焊点模型并建模进行仿真计算,建立了焊点应力与结构参数的回归方程,基于回归方程结合遗传算法对焊点结构参数进行了优化,获得了焊点应力最小的结构参数最优水平组合.结果表明：对于无铅焊料SAC387,焊点应力随焊点的高度增加而减小,随最大径向尺寸的减小而减小;应力最小的焊点水平组合为：焊点高度0.38mm、最大径向尺寸0.42mm、上焊盘直径0.34mm和下焊盘直径0.35mm;对最优水平组合仿真验证表明优化后焊点最大应力下降了4.66MPa,实现了BGA焊点的结构优化.     

倒装焊器件尺寸参数对低k层及焊点的影响

当前。集成电路制造中低k介质与铜互连集成工艺的引入已经成为一种趋势,因此分析封装器件中低矗结构的可靠性是很有必要的。利用有限元软件分析了倒装焊器件的尺寸参数对低k层及焊点的影响。结果表明：减薄芯片,减小PI层厚度,增加焊点高度,增加焊盘高度,减小基板厚度能够缓解低k层上的最大等效应力;而减薄芯片,增加PI层厚度,增加焊点高度,减小焊盘高度,减小基板厚度能够降低焊点的等效塑性应变。     

微连接焊点热循环可靠性的研究进展

介绍了国内外关于微连接焊点热循环可靠性的研究进展。热循环的作用会使焊点内部组织粗化、IMC长大和变厚和锡基无铅焊料重结晶等,诱发焊点中裂纹的萌生与扩展。主流观点认为,焊点的失效是一种疲劳与蠕变相结合的机制。分析了对未来无机械应力作用的单一焊点样品进行热循环实验的意义。影响焊点热循环寿命的因素有焊料成分、焊盘UBM层、焊...     

热载荷下金属间化合物厚度对焊点可靠性的影响

研究了在热循环载荷条件下,不同厚度的金属间化合物IMC(Intermetallic Compound)层对焊点可靠性的影响。采用Anand本构模型描述无铅焊点在热载荷条件下的粘塑性力学行为,运用有限元模拟电子封装器件在热载荷循环下的应力应变的变化规律,确定关键焊点的位置,得到关键焊点的关键点的应力、应变与时间关系的曲线,分析IMC层厚度与寿命关系曲线,并确定其函数关系。研究表明:在热载荷条件下IMC层厚度越大,其焊点的可靠性越低,寿命越短。在IMC层厚度为8.5μm时,IMC厚度对焊点寿命的影响率出现明显的变化,影响率由–32.8突然增加到–404,当IMC厚度为14.5μm时,焊点的寿命值出现了跳跃。     

倒装焊封装中无铅焊点在封装工艺中的热机械力学分析

采用粘塑性Garofalo—Arrhenius模型描述无铅焊料的蠕变行为，确定了96．5Sn3.5Ag焊点材料的模型参数。采用与固化过程相关的粘弹性力学模型描述倒装焊底充胶的力学行为。利用有限元法模拟了无铅板上倒装焊在封装工艺及热循环条件下的应力应变行为。结果表明由于无铅技术在封装中的引入，封装工艺对倒装焊器件的影响更为重要。     

板级结构参数对CSP器件焊点可靠性的影响

研究了几何因素和基板材料对无铅焊点可靠性的影响，建立了CSP封装元件的有限元模型。进行了温度循环测试，分析了焊点的应力应变情况。结果表明：基板厚度，焊点高度与焊盘直径的变化对焊点寿命有着不同的影响趋势。同时比较了FR4，Al2O3，PI材料基板与无铅焊点互连的情况，最终得出PI基板是最有利于封装器件使用的基板材料。但是由于其加工成本较高等方面的原因一般只用于高可靠性要求的军事产品领域。     

热循环加载条件下SMT焊点应力应变过程的有限元分析

ＳＭＴ焊 热循环条件下的应力应变过程分析是ＳＭＴ焊点可靠性的重要方向。本文采用粘弹塑性材料模式描述ＳｎＰｂ钎料的力学本构响应，对非城堡型ＬＣＣＣ焊蹼结构进行三维有限元分析，考察焊点在热循环加载过程中的应力应变等力学行为。研究结果表明，焊点钎料内的高应力发生在热循环的低温阶段，升降温过程中的蠕变和非弹性应变的累积显著，蠕变应变在非弹性应变中占主导地位，应力应变滞后环在热循环的最初几个周期内就能很快稳     

BGA焊点的形态预测及可靠性优化设计

制定了BGA(球栅阵列)焊点的形态预测以及可靠性分析优化设计方案，对完全分布和四边分布的两种BGA元件，通过改变下焊盘的尺寸得到不同钎料量的焊点，并对其形态进行了预测，建立了可靠性分析的三维力学模型。采用有限元方法分析了元件和焊点在热循环条件下的应力应变分布特征，预测了不同种类和不同形态的BGA焊点的热疲劳寿命，由此给出了最佳的上下焊盘比例范围。     

CSP封装Sn-3.5Ag焊点的热疲劳寿命预测

对芯片尺寸封装(CSP)中Sn-3.5Ag无铅焊点在热循环加速载荷下的热疲劳寿命进行了预测.首先利用ANSYS软件建立CSP封装的三维有限元对称模型,运用Anand本构模型描述Sn-3.5Ag无铅焊点的粘塑性材料特性;通过有限元模拟的方法分析了封装结构在热循环载荷下的变形及焊点的应力应变行为,并结合Darveaux疲劳寿命模型预测了无铅焊点的热疲劳寿命.     

CSP封装Sn-3.5Ag焊点的热疲劳寿命预测

对芯片尺寸封装(CSP)中Sn-3.5Ag无铅焊点在热循环加速载荷下的热疲劳寿命进行了预测.首先利用ANSYS软件建立CSP封装的三维有限元对称模型,运用Anand本构模型描述Sn-3.5Ag无铅焊点的粘塑性材料特性;通过有限元模拟的方法分析了封装结构在热循环载荷下的变形及焊点的应力应变行为,并结合Darveaux疲劳寿命模型预测了无铅焊点的热疲劳寿命.     

随机振动加载条件下QFN焊点的优化设计

采用基于最小能量原理和有限元数值分析方法的Surface Evolver软件，建立了四方扁平无引脚器件（QFN：Quad Flat No-lead）焊点三维形态预测模型；选取焊盘长度、焊盘宽度、焊料体积和间隙高度作为四个关键因素，采用水平正交表设计了9种不同的QFN焊点工艺参数水平组合，建立了这9种焊点的三维形态预测模型，得到了不同工艺参数水平组合下的QFN焊点形态；分析在随机振动加载条件下，焊盘长度、焊盘宽度、焊料体积和间隙高度四个工艺参数的改变对QFN焊点的应力应变的影响；通过对因子趋势图分析表明：在随机振动加栽下焊盘长度和焊盘宽度对焊点应力应变影响较大，间隙高度和焊料体积对应力应变影响较小；使QFN焊点应变值最小的参数细合为：焊盘长度为0．8mm；焊盘宽度为0．37mm；间隙高度为0．15mm；焊料体积为0.014mm^3。     

基于再流焊冷却过程应力分析的板极组件BGA焊点参数优化

建立了板级组件BGA（Ball Grid Array）焊点有限元分析模型,对BGA焊点进行了再流焊冷却过程应力仿真分析,设计并完成了验证性实验以验证仿真分析方法的有效性,分析了焊点结构参数和材料变化对焊点再流焊冷却过程应力应变的影响,采用响应面法建立了焊点应力与结构参数的回归方程,结合遗传算法对焊点结构参数进行了优化.结果表明：实验结果证明了仿真分析的有效性;焊点应力随着焊点高度的增加而增大,随着焊点直径的增加而减小;最优焊点结构参数水平组合为：焊点高度0.44mm、焊点直径0.65mm、焊盘直径0.52mm和焊点间距1.10mm;对该最优焊点仿真验证表明最大应力下降了0.1101MPa.     

湿热环境下倒装焊无铅焊点的可靠性

对板上倒装芯片底充胶进行吸湿实验,并结合有限元分析软件研究了底充胶在湿敏感元件实验标准MSL—1条件下吸湿和热循环阶段的解吸附过程,测定了湿热环境对Sn3.8Ag0.7Cu焊料焊点可靠性的影响,并用蠕变变形预测了无铅焊点的疲劳寿命。结果表明:在湿热环境下,底充胶材料内部残留的湿气提高了焊点的应力水平。当分别采用累积蠕变应变和累积蠕变应变能量密度寿命预测模型时,无铅焊点的寿命只有1740和1866次循环周期。     

焊盘尺寸对FC—PBGA焊点可靠性的影响

影响封装可靠性的因素很多,其中对封装及供货厂商相关的封装设计方面的各种变量应该给予足够的重视。焊盘尺寸是影响焊点可靠性的关键因素之一,不同供货厂商的各种工艺造成焊盘尺寸方面的差异,对可靠性造成了极大的影响。有限元应力分析、波纹干涉测量试验及可靠性试验表明,基板厚度影响封装可靠性。文章采用有限元模拟来定量分析焊盘尺寸对PBGA封装可靠性的影响,把空气对空气热循环试验结果与FEM预测进行比较,讨论最佳焊盘尺寸,并预测对焊点可靠性的影响。     

基于正交试验设计的塑封球栅阵列器件焊点工艺参数与可靠性关系研究

基于正交试验设计法对塑封球栅阵列(PBGA)器件焊点工艺参数与可靠性关系进行了研究.采用混合水平正交表L₁₈(2×3⁷)设计了18种不同工艺参数组合的PBGA测试样件,进行了546小时、最大循环周数2140周的PBGA测试样件可靠性加速热循环试验.基于试验结果进行了极差分析和方差分析;研究了PBGA测试样件寿命的威布尔分布;采用有限元分析方法对热循环加载条件下PBGA焊点内应力应变分布进行了研究.试验结果表明失效焊点裂纹出现于焊点与芯片基板的交界面上.研究结果表明:样件规格对PBGA焊点可靠性有高度显著影响,芯片配重对PBGA焊点可靠性有显著的影响,焊盘直径和钢网厚度对PBGA焊点可靠性无显著影响;最优工艺参数组合为:S2D2G2M1和S2D2G2M2.有限元分析表明在热循环加载条件下PBGA器件内应力最大区域位于焊点与芯片基板的接触面上,裂纹首先在焊点与芯片基板的接触面处产生,有限元分析结果与试验结果相吻合.