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.     

不同结构参数下PBGA焊点的随机振动分析

利用ABAQUS有限元分析软件,对不同结构参数下PBGA焊点的随机振动响应进行了分析。结果表明:在随机振动载荷作用下,PBGA封装焊点的最大应力位于焊点阵列的拐角处,而且在靠近PCB板的一侧;焊点的最大应力值与焊点高度成正比,与焊点直径和焊点间距成反比;当焊点直径为0.66 mm、高度为0.6 mm、间距为1.27 mm时,焊点的最大应力达到最大值842.4 MPa。     

采用叠层焊点的PBGA组件温度场模拟分析

运用有限元软件ANSYS建立了采用叠层焊点的塑料球栅阵列(Plastic Ball Grid Array,PBGA)结构有限元分析模型,基于该模型对PBGA结构在典型工作环境下的稳态温度场分布进行了模拟,对比传统单层焊点与叠层焊点对PBGA结构温度场的影响,并分析了焊点高度和PBGA结构各部分材料导热系数对内部温度的影响。结果表明:焊点结构形式(单层和叠层)和焊点高度对PBGA组件温度场影响不大;PCB的导热系数对PBGA组件温度场影响最大,其次是塑封和基板,粘结剂对PBGA组件温度场影响很小。     

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。     

基于稳健设计的PBGA器件焊点热机械疲劳可靠性的优化设计

基于稳健设计与有限元法,研究了加速热循环测试条件下塑封球栅阵列(PBGA)焊点的热机械疲劳可靠性.考虑PCB大小(A)、基板厚度(D)、硅片热膨胀系数(G)、焊点热膨胀系数(H)等八个控制因素,使用L₁₈(2¹×3⁷)混合正交表,以对焊点热机械疲劳寿命的考核为目标,对PBGA焊点进行了优化设计.结果表明,影响焊点可靠性的显著性因素依次是基板热膨胀系数、焊点的热膨胀系数、基板厚度、芯片的热膨胀系数;最优方案组合为A1B2C3D1E2F1G3H1.进一步的验证试验结果表明,与原始方案相比,该优化方案的最大等效应变降低了66%,信噪比提高了22.4％.     

冲击载荷下航天用PBGA焊点的优化设计

从动力学角度考虑PBGA焊点承受不同加速度情况下冲击载荷的情况,对PBGA焊点尺寸建立了正交设计表。运用有限元分析技术对该表中各种因素和水平分别进行有限元分析,运用数理统计对正交结果进行分析,在现有尺寸结构上提出了最优化设计。对各种因素进行了显著性分析及比较,得出在动力载荷下,焊点直径、高度等参数对焊点可靠性的影响比焊点位置参数对焊点可靠性的影响要低得多。在动力载荷下,焊点位置、形状变为可靠性设计的主要考虑因素。并通过扩大参数取值范围得到二次正交设计表验证了其正确性。     

基于随机振动过程应力分析的BGA焊点结构优化

建立了板级BGA(Ball Grid Array)焊点有限元分析模型，选取芯片高度、焊点直径、焊点高度、焊点间距作为设计变量，以焊点应力作为响应目标，分别采用田口正交及曲面响应法设计了25组不同水平组合的焊点模型并进行仿真计算，通过数理统计分析及回归分析对焊点结构参数进行了优化，获得了焊点应力最小结构参数最优水平组合.结果表明：在相同条件下，曲面响应优化的结果优于田口正交的结果；应力最小的焊点水平组合为焊点直径0.32 mm，焊点高度0.20 mm，焊点间距0.36 mm；最优水平组合等效应力值为0.3915 MPa，降低了0.65 MPa，实现了BGA焊点结构参数的优化.     

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。     

倒装焊中复合SnPb焊点形态模拟

本文给出了倒装焊(flip-chip)焊点形态的能量控制方程,采用Surface Evolver软件模拟了倒装焊复合SnPb焊点(高Pb焊料凸点,共晶SnPb焊料焊点)的三维形态.利用焊点形态模拟的数据,分析了芯片和基板之间SnPb焊点的高度与焊点设计和焊接工艺参数的关系.研究表明:共晶SnPb焊料量存在临界值,当共晶SnPb焊料量小于临界值时,焊点的高度等于芯片上高Pb焊料凸点的半径值;当共晶SnPb焊料量大于临界值时,焊点的高度随共晶SnPb焊料量的增加而增加.另外,采用无量纲的形式给出了焊点高度与共晶焊料量、焊盘尺寸、芯片凸点的尺寸,芯片重量之间的关系模型,研究结果对倒装焊焊点形态的控制、工艺参数的优化和提高焊点可靠性具有指导意义.     

基于有限元仿真的BGA焊点可靠性分析

集成化与微型化是芯片集成电路产业发展的特点,其中芯片封装热振失效是影响其可靠性的重要原因。为进一步优化BGA焊点结构并提高可靠性,本文运用ANSYS将TOPLINE的BGA器件建成了3D模型,进行了数值模拟仿真后,利用田口正交稳健设计进行了BGA焊点结构优化。数值分析表明：芯片边角焊点为热失效关键焊点,距封装中心最远焊点为随机振动失效关键焊点;经田口正交优化热设计为焊点阵列12*12,焊点径向尺寸0.42mm,焊点高度0.38mm,焊点间距0.6m;随机振动设计为焊点间距0.46 mm,焊点径向尺寸0.42 mm,焊点阵列10*10,焊点高度0.30 mm。本研究中的分析成果对优化球珊阵列芯片封装焊点结构的设计,提升芯片封装器件结构稳定性具有重要意义,我们提出的优化设计将对封测产业的生产具有一定的影响和价值。     

宏细观统一模型下PBGA焊点的模拟分析

利用有限元软件在再流焊温度下,分别对PBGA器件统一的宏细观模型进行了模拟分析,就内部焊球来说,发现应力变化最大的是边界焊球,失效最容易从这里产生;并且发现再流焊温度加载过程中的温度变化速率与焊点内的应力变化有直接的关系,当把冷却区的温度变化速率从3减小到1.5时,可以从焊点的不同载荷步应力云图看出,应力突变明显降低,这对提高器件可靠性有重要意义.     

Optimization of board-level thermomechanical reliability of high performance flip-chip package assembly

In this paper, we study board-level thermomechanical reliability of a high performance flip-chip ball grid array package assembly subjected to an accelerated thermal cycling test condition. Different control factors are considered for an optimal design towards enhancement of the thermal fatigue resistance of solder joints. These factors include solder composition, underfill, substrate size, lid thickness, stiffener ring width, test board size, soldermask opening on the substrate side, and pad size on the test board. The shape of solder joints after reflow is estimated using Surface Evolver. The optimal design is obtained using an L₁₈ orthogonal array according to the Taguchi optimization method. Importance of these control factors on the board-level thermomechanical reliability of the package is also ranked.     

Impact of solder pad size on solder joint reliability in flip chipPBGA packages

A variety of parameters impact package reliability. One set of parameters that does not get much attention is the variations in package design that are assembly and vendor related. This study shows that solder pad size is important in solder joint reliability. Differences in solder pad size due to different vendors and processes can affect the reliability considerably. The impact of substrate thickness on package reliability has been shown in finite element stress analysis, moire interferometry experiments, and reliability tests. However, in certain cases, the pad size effect can be so significant that it overrides the impact of substrate thickness. This work indicates that in order to obtain good correlation between predictive engineering results and reliability tests data, this factor should not be ignored. In this study, finite element simulation has been used to quantify the pad size effect on the BGA reliability in the PBGA package. Air-to-air thermal cycling test results were compared with FEM predictions. Optimized pad sizes are discussed and the impact on the solder joint reliability is predicted. Solder pad size effect was found to be a dominant feature in correlating test data with predictions     

PBGA封装焊点寿命影响因素的有限元分析

为明确PBGA焊点设计及环境温度参数对其可靠性影响,利用有限元软件ANSYS分析了温度循环、焊点材料、焊点高度与直径、PCB板的厚度、刚度、热膨胀系数(CTE)对焊点寿命的影响.焊点采用了Anand本构关系描述,寿命预测采用Darveaux模型.研究结果表明,温度循环的范围变大焊点寿命变短,保温时间缩短能增加焊点寿命;经过优化的焊球,寿命会增加;PCB板越厚,焊点寿命越短;PCB板的杨氏模量越大,焊点寿命越长.     

片式元件与基板间隙对SnAgCu系无铅焊点的应力分析

文章采用非线性有限元方法,重点讨论了片式元件与基板的间隙对Sn-2.5Ag-0.7Cu无铅钎料焊点的应力应变分析。研究表明,在实际中适当增大间隙高度有利于改善焊点的应力分布情况。当间隙高度为0.1mm~0.2mm时,元件底部拐角处、焊根的顶部和底部以及焊趾顶部的应力值普遍较低,应力分布得到了较好的改善,这一结果对于焊点的优化及设计具有指导意义。     

基于最小能量原理的SMT焊点三维形态预测

本文应用最小能量原理和有限元方法建立表面组装技术（ＳＭＴ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）形成的焊点三维形态预测模型,并运用该模型对塑料球栅阵列（ＰＢＧＡ：Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）器件焊点三维形态问题进行了预测和分析。最后将预测结果与试验结果以及国外学者用数学分析模型所得的预测结果进行了对比验证。     

无铅波峰焊不同板厚通孔焊点的填充性研究

分析了影响通孔填充性的因素,包括PCB的设计因素和波峰焊接工艺因素。其次运用试验设计方法研究了通孔填充性与众多因素的关系,对试验结果的方差分析表明影响通孔填充性的显著因子有PCB的板厚、锡炉温度和浸锡时间等,通过回归分析得出预测填充不足缺陷的数学模型,该模型是以缺陷为应变量,各影响因子为自变量的统计学关系方程。同时还对不同板厚的通孔焊点可靠性进行了分析,仅考虑焊点满足相同的机械抗拉力条件,焊点其他参数一致而板厚增加时,对通孔填充率的要求可有所降低;但通过热循环试验得出随着板厚的增加,焊点更易较早的出现裂纹,焊点填充不足时有进一步加快生成表面裂纹的趋势。