基于模糊理论的随机振动条件下叠层PBGA焊点可靠性分析

对叠层塑料球栅阵列(plastic ball grid array package, PBGA)焊点在随机振动条件下的可靠性进行了研究. 通过模态分析,提取固有频率和振型,接着进行随机振动分析,得到叠层PBGA焊点的应力分布特性;引入模糊理论修正钎料的应力—寿命曲线(S-N curve),并结合三带技术对叠层PBGA焊点随机振动疲劳寿命进行了计算. 结果表明,组件在一阶固有频率下振动时,芯片处的振幅最大;组件边角叠层焊点受到的应力最大,且芯片侧应力大于PCB侧;模糊理论的引入使得1 σ与2 σ应力水平对叠层PBGA焊点产生的损伤得以考虑,从而实现对叠层PBGA焊点振动疲劳寿命更准确预测.     

热循环加载条件下PBGA叠层无铅焊点可靠性分析

建立了塑料球栅阵列(plastic ball grid array,PBGA)器件叠层焊点应力应变有限元分析模型,基于该模型对叠层无铅焊点在热循环载荷条件下的应力应变分布进行了分析,计算其热疲劳寿命,分析焊点材料、焊点高度和焊点最大径向尺寸对叠层焊点热疲劳寿命的影响.结果表明,与单层焊点相比,焊点叠加方式能有效提高焊点热疲劳寿命;采用有铅焊料Sn62Pb36Ag2和Sn63Pb37的叠层焊点比采用无铅焊料Sn-3.5Ag和SAC305的叠层焊点热疲劳寿命高;叠层焊点的高度由0.50 mm增加到0.80 mm时,焊点的热疲劳寿命随其高度的增加而增加;叠层焊点的最大径向尺寸由0.30 mm增加到0.45 mm时,焊点的热疲劳寿命随焊点的最大径向尺寸增加而减小.     

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.     

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.     

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.     

底充胶叠层PBGA无铅焊点随机振动应力应变分析

建立了底充胶叠层塑料球栅阵列(plastic ball grid array, PBGA)无铅焊点三维有限元分析模型,研究了PBGA结构方式、焊点材料、底充胶弹性模量和密度对叠层无铅焊点随机振动应力应变的影响. 结果表明,底充胶可有效降低焊点内的随机振动应力应变;在其它条件相同下,对于Sn95.5Ag3.8Cu0.7,Sn96.5Ag3Cu0.5,Sn-3.5Ag和Sn63Pb37这四种焊料,采用Sn-3.5Ag的底充胶叠层焊点内的随机振动最大应力应变最小,采用Sn96.5Ag3Cu0.5的焊点内的最大应力应变最大;随着底充胶弹性模量的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应减小;随着底充胶密度的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应增大.     

塑料封装球栅阵列器件焊点的可靠性

对比了充胶和未充胶塑料封装球栅阵列(PBGA)器件在-40 ℃～125 ℃温度循环条件下的热疲劳寿命,采用光学显微镜研究了失效样品焊点的失效机制,并分析了充胶提高器件热疲劳寿命的机制.实验发现底充胶可使PBGA样品的寿命从500周提高到2000周以上,失效样品裂纹最先萌生于最外侧焊球中近硅芯片界面外边缘处,界面处焊料组织粗化及界面脆性金属间化合物Ni3Sn2和NiSn3相的生成均促使裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展.PBGA焊点界面处裂纹的萌生和扩展是该处应力应变集中、焊料组织粗化以及生成脆性金属间化合物等各种金属学和力学因素共同作用的结果.     

热、振及热振耦合条件下塑封球栅阵列含铅焊点失效分析

对塑封球栅阵列封装器件进行了热循环、随机振动以及热振耦合试验,在3种试验条件下测试Sn37Pb焊点的寿命,并对3种载荷条件下失效焊点位置的分布规律以及焊点的失效模式进行对比分析. 结果表明,塑封球栅阵列封装焊点在热振耦合试验中的寿命明显小于热循环以及随机振动试验的寿命结果. 热循环、随机振动条件下越靠近测试板中心位置,器件的焊点越容易发生破坏,而热振耦合试验中不同位置上器件的失效焊点数比较接近. 此外,热循环条件下破坏模式主要表现为钎料内部的韧性断裂,随机振动条件下主要为界面金属间化合物层内的脆性断裂,而热振耦合条件下这两种破坏模式均有发生.     

考虑IMC影响的PBGA无铅焊点温度循环有限元数值模拟

采用ANSYS统一Anand粘塑性本构方程描述SnAgCu焊点非弹性形变.对考虑IMC的PBGA焊点与不考虑IMC的PBGA焊点在温度循环载荷作用下的应力应变响应进行分析比较.结果表明,远离中心位置的外侧焊点承受更大的应力应变;在温度循环加载过程中IMC层积累了较大的应力;由于IMC层的硬脆性材料特性,应力不会通过塑性形变释放,使焊料在高应力IMC界面发生较大的塑性形变;IMC焊点高应力集中区的应力应变迟滞回线所代表的应变能高于不考虑IMC的焊点,导致其热疲劳寿命远低于不考虑IMC的焊点,与实际温度循环试验结果更为接近.     

PBGA封装SAC405互连焊点热疲劳寿命预测

基于正应变对焊点疲劳寿命的影响,采用改进的Darveaux模型,通过有限元数值模拟法对PBGA封装SAC405互连焊点的热疲劳寿命进行预测。结果表明:焊点的损伤尺度沿着封装中心线增加,在芯片边界以下达到最大值,然后向着封装边界方向逐渐减小,最终在封装边界附近恢复到较大值;裂纹易在封装侧焊点和焊盘之间界面上形成,并沿着焊点圆周方向较宽的角度范围扩展,裂纹生长过程与试验结果相一致;工况2条件下的关键焊点疲劳寿命为5 525个周期,随着热循环高低温保温时间的延长,关键焊点的疲劳寿命减小。     

热冲击条件下1.27mm引脚间距塑封球栅阵列器件焊点可靠性测试与分析

通过热冲击试验1.27mm引脚间距塑封球栅阵列（PBGA）器件焊点可靠性进行了测试与分析，选取钢网厚度、芯片配重、焊盘直径三个影响焊点可靠性的关键因素设计了多种不同工艺参数组合的PBGA测试样件，对样件进行了可靠性热冲击试验。对试验结果数据所进行的极差分析和方差分析以及对焊点寿命威布尔分布的计算表明，钢网厚度对PBGA焊点可靠性有显著的影响；最优工艺参数组合为钢网厚度0.15mm、焊盘直径0.73mm、芯片配重18.0547g；PBGA测试样件寿命服从形状参数为0.85，尺度参数为6254.88的威布尔分布。     

基于田口法的PBGA器件焊点可靠性分析

为提高塑料球栅阵列(PBGA)器件焊点可靠性,提出了一种基于田口法和数值模拟的试验方法.借用Anand模型描述钎料本构方程,对PBGA器件焊点热循环载荷下的应力应变分布进行有限元模拟.结果表明,填充底充胶能有效提高焊点可靠性;考虑基板、封装塑料、底充胶、PCB的线膨胀系数四个控制因素,借助田口试验法进行最佳参数选择,确定影响焊点可靠性的主要因素为基板线膨胀系数及封装塑料线膨胀系数.最优方案组合为A3B3C3D3.该优化方案的最大等效应变比原始值减小了41.4%,信噪比提高了4.61 dB.

Abstract：

In order to evaluate the reliability of PBGA soldered joints, an optimized method was proposed based on Taguchi design and numerical simulation, in which the Anand equation was used to describe the viscoplastic behavior of Sn3. OAgO. 5Cu solder,and the distribution of equivalent stress and strain in soldered joints under temperature cycle were studied respectively. Results indicate that the thermal fatigue life of soldered joints can be substantially improved by filling up the underfill between the PCB and substrate.The linear expansion coefficients of substrate, epoxy mold compound, underfill and PCB were considered as the controlling factors,and the linear expansion coefficient of the substrate and that of epoxy mold compound were deemed to the main influencing factors by Taguchi method. The optimized controlling factor combination can be decided as A3B3C3D3, and the verification test shows the maximum equivalent swain of the optimization scheme was decreased by 41.4%, and the ratio of signal to noise was increased by 4.61 dB.     

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。     

Reliability comparison between SAC305 joint and sintered nanosilver joint at high temperatures for power electronic packaging

Ratcheting behavior of sintered nanosilver joints was examined by cyclic shearing tests at different temperatures. Fatigue lives of sintered nanosilver joints were compared with those of soldered SAC305 joints. An improved non-contact displacement detecting system combining infrared heating was developed to measure the deformation of the joints. Effects of temperature, mean stress, and stress amplitude on the ratcheting behavior of both kinds of the joints were analyzed. Shear strength of the sintered nanosilver joints is larger than that of the soldered SAC305 ones. The ratcheting displacement and its rate in both kinds of the joints increase with increase in temperature, mean stress, and stress amplitude. The fatigue life of sintered nanosilver joint is much longer than that of soldered SAC305 one under the same loading conditions. It is concluded that sintered nonosilver joint has demonstrated a longer fatigue life and better response to shearing and cyclic loading than SAC305 joint, especially at high temperatures. An improved temperature-dependent modified Goodman model is proposed and is proved to be able to accurately predict the fatigue life of the sintered nanosilver joints and the soldered SAC305 joints by introducing the temperature-dependent fatigue strength exponent and the fatigue strength coefficient.     

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。     

WLCSP器件结构优化模拟及无铅焊点可靠性

构建WLCSP144器件四分之一模型,研究无铅焊点阵列的应力-应变响应.结果表明,焊点应力-应变大小和焊点的位置有密切关系,中心焊点的应力-应变最小,拐角焊点的应力-应变最大,应力和焊点位置的关系为σ(x,y)=1.78x+1.78y+0.33,焊点蠕变应变和焊点位置的关系为ε(x,y)=0.006x+0.006y+0.009.同时发现焊点可靠性与器件结构有明显关系,在结构中选择聚合物作为封装材料对应的焊点可靠性较低,应该选择与PCB线膨胀系数较为匹配的材料最为适宜.焊点阵列数(焊点间距相同)的增加会降低焊点的可靠性,这主要是和阵列拐角焊点与芯片中心的距离有明显的关系.     

引线尺寸对CPGA翼形引线焊点可靠性的影响

采用有限元法对陶瓷针型棚格阵列（CPGA）翼形引线焊点的应力分布进行了研究,发现在焊点最内侧底面处应力集中较大,是整个焊点最脆弱的部位,易发生破坏;分析了不同尺寸翼形引线与焊点最大应力之间的关系,得到了不同外观形状的翼形引线焊点在受交变热作用时焊点热应力的分布情况。结果表明,翼形引线厚度增加,焊点应力增大;翼形引线高度增加,焊点应力有一个最大值;翼形引线与陶瓷基板接触长度增加,焊点应力减小;翼形引线与焊盘接触长度增加,焊点应力有一个最小值。     

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.     

FCBGA器件SnAgCu焊点疲劳寿命预测

采用Anand模型构建Sn3.0Ag0.5Cu钎料本构方程,分析FCBGA器件在无底充胶以及不同材料属性底充胶情况下焊点的应力分布.结果表明,无论底充胶存在与否,最拐角焊点上表面都是应力集中的区域.使用底充胶可以使焊点的残余应力减小,并且使其均匀分布于焊点上表面上.运用Engelmaier修正的Coffin-Mason模型计算焊点疲劳寿命,发现使用底充胶的器件焊点寿命明显高于无底充胶器件的焊点疲劳寿命.对底充胶属性参数研究发现,线膨胀系数的大小对焊点疲劳寿命影响很大,而弹性模量的影响却很小,通过参数的优化模拟,可以为底充胶的选择提供一定的理论指导.