基于灰色模型的焊点健康状态预测

随着BGA(ball grid array)封装FPGA在武器系统及航空航天领域的应用越来越广泛,其焊点健康状况越来越受到关注. 利用灰色系统理论,有效解决了焊点失效模型建立过程中数据样本少且无明显规律、焊点失效过程难以预测等难题. 文中将焊点故障诊断过程中得到的前期故障实测数据作为原始数据,建立焊点失效灰色模型,并对焊点后期健康状况进行预测,预测结果与实测结果对比发现,预测精度为一级. 结果表明,基于灰色系统的焊点健康状态预测模型,做到了焊点故障的提前预警,克服了监测周期长、焊点故障难以预测、一旦发现即失效等问题.     

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.     

基于HFSS的内存芯片BGA焊点串扰仿真分析

建立了内存芯片球栅阵列(ball grid array,BGA)焊点串扰HFSS(high frequency simulator structure)电磁仿真模型,基于该模型对两个BGA焊点在高频条件下的串扰问题进行了分析,得到了其近端串扰和远端串扰仿真结果,以及信号频率、BGA焊点最大径向尺寸及BGA焊点高度对串扰强度的影响.利用正交试验设计方法,对16组不同参数水平组合的两个BGA焊点远端串扰进行方差分析.结果表明,近端串扰和远端串扰随信号频率增大、焊点最大径向尺寸增大及焊点高度增大而增大;在置信度为90%情况下,焊点最大径向尺寸对BGA焊点远端串扰有显著的影响,而焊点高度、信号频率对远端串扰影响不显著.     

埋入式BGA焊点可靠性和信号完整性优化

建立了埋入式微尺度球栅阵列(ball grid array, BGA)焊点有限元分析模型和三维电磁仿真模型，分别进行热循环加载分析和信号完整性分析. 选取焊点最大径向尺寸、焊点高度和焊盘直径作为设计变量，以焊点的热疲劳寿命和回波损耗最小为目标，利用正交试验和灰色关联分析相结合的方法对BGA焊点进行多目标优化设计，并通过试验对信号完整性优化结果进行了验证. 结果表明，优化后焊点最大等效应力下降了8.2%，在热疲劳寿命提高了2.15倍的同时回波损耗降低了11.8%，信号完整性试验验证了优化结果的有效性.     

复杂背景下X射线BGA焊点气泡检测

基于全局阈值分割的焊点气泡提取不准确,且当焊点被遮挡造成的气泡提取困难时,导致球栅阵列(ball grid array,BGA)焊点气泡检测困难. 针对这些复杂背景下BGA焊点气泡的X射线缺陷检测问题,采用阈值分割、焊点圆度、焊点面积等标准提取未被遮挡的焊点,并提出了一种交互式射线轮廓提取方法完成被遮挡焊点轮廓的提取. 针对焊点气泡的特点,提出基于灰度形态学、直方图拉伸、模糊增强、BLOB分析综合处理的焊点气泡检测方法. 对比试验研究结果表明,该算法对复杂背景下BGA焊点气泡检测有较高准确率.     

基于响应曲面法的BGA焊点结构参数优化设计

球栅阵列(ball grid array package,BGA)封装因其成本低、电气性能好而被广泛应用于集成电路产业中.文中建立了BGA三维模型，将等效应力作为响应目标，选取焊点直径、焊点高度、焊点间距、芯片厚度作为设计因子，采用响应曲面法设计了25组不同水平组合的焊点结构参数进行仿真计算，并基于遗传算法分析对焊点结构热振可靠性进行了优化.结果表明，焊点间距对BGA结构热振可靠性有重要影响；优化方案组合为焊点直径0.28 mm，焊点高度0.20 mm，焊点间距0.40 mm.经过优化验证分析，该优化方案较原始设计方案等效应力降低了11.92%，实现了BGA器件焊点参数优化目的.     

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.     

面向完整传输路径的BGA焊点信号完整性分析及优化

建立了基于BGA(ball grid array)焊点的完整传输路径的HFSS(high frequency simulator structure)电磁仿真模型,基于该模型对完整传输路径在高频条件下的信号完整性问题进行了分析,得到了其回波损耗仿真结果,以及焊点最大径向尺寸、焊点高度尺寸、焊盘直径尺寸对回波损耗的影响. 并以焊点最大径向尺寸、焊点高度尺寸、焊盘直径尺寸为设计参数,以完整传输路径6 GHz下的回波损耗作为目标值,设计17组试验仿真计算,采用响应曲面法对仿真计算所得的17组完整传输路径回波损耗与BGA焊点形态参数间关系进行拟合,结合遗传算法对拟合函数进行优化,得到完整传输路径回波损耗最小的BGA焊点组合参数为焊点最大径向尺寸1.05 mm,焊点高度0.75 mm,焊盘直径0.65 mm,并对最优组合参数仿真验证,最优组合仿真结果优于17组试验仿真结果,实现了完整传输路径中BGA焊点的结构优化.     

FCBGA元器件焊点可靠性的有限元分析

采用有限元法分析FCBGA(flip chip ball grid array)器件焊点可靠性,采用统一型粘塑性Anand本构方程研究了Sn63Pa37合金的力学行为.结果表明,应力集中区域为器件芯片边缘拐角焊点的上表面.应力时间历程处理发现:应力随时间呈周期性变化,曲线有明显的应力松弛现象和累积迭加的趋势.对三种不同球状焊点尺寸器件的研究结果发现,球状焊点尺寸为0.4 mm×0.28mm时,焊点应力最大,0.46 mm×0.34mm焊点次之,0.52 mm×0.4mm焊点应力最小.基于塑性应变能分析的结果亦与上述变化趋势相同,且与实际应用器件的试验数据变化趋势一致.     

低应力柔性CCGA焊点设计及其可靠性预测

为提高大芯片面阵列封装的可靠性、降低工作载荷下钎料焊点内部的应力集中程度,基于力学原理对陶瓷柱栅阵列（ceramic column grid array,CCGA）封装结构进行了柔性互连设计和焊点形态设计.采用有限元方法研究了该低应力柔性CCGA互连结构在剪切载荷下的力学行为.结果表明,互连结构的峰值应力和峰值应变由设计的铜质的锥形漏斗体承担,性能薄弱的钎料及钎料/铜柱界面不再处于互连结构的应力应变集中位置,焊点内部应力应变较传统CCGA焊点降低显著;预测该低应力柔性CCGA互连焊点将具有更高的可靠性.     

田口试验法在PBGA焊点可靠性中的应用

在田口试验法的基础上,采用非线性有限元建模的方法对温度循环载荷作用下的PBGA(plastic ball grid array)焊点进行可靠性研究。PCB(printed circuit board)的大小和厚度、基板的大小和厚度、焊点的直径和高度、芯片以及塑封(EMC)的厚度等8个控制因子被选择用来填充L18田口正交表。通过田口试验法优化之后得到最佳的控制因子组合为A1,B3,C1,D2,E2,F3,G3,H3,其中最重要的4个因子为焊点直径A,PCB大小B,芯片厚度F,焊点高度G。结果表明,优化后的试验值和预测值分别比原始状态的试验值和预测值提高了2.87964和0.88286。     

Plastic characterization and performance of SnAgCuBiNi/Cu lead-free BGA solder joints

Nanoindentation test is performed on study the plastic and creep properties of the Sn-Ag-Cu (SAC) lead-free ball grid array (BGA) solder joints. The dynamic hardness of two kinds of solder joints decreases with indentation depth increase. SAC0705BiNi/Cu exhibits a higher ultimate dynamic hardness and a smaller indentation depth than SAC305/Cu. Then the strain hardening phenomenon of SAC305/Cu is more obvious compared to that of SAC0705BiNi/Cu. The indentation creep of SAC0705BiNi/Cu solder joint is lower than that of SAC305/Cu solder joint before and after thermal shock. The creep rate sensitive index of SACBiNi/Cu solder joint is lower than that of solder joint. SAC0705BiNi/Cu solder joint is superior to SAC305/Cu solder joint in the anti-creep property. The plasticity of SAC0705BiNi/Cu and SAC305/Cu solder joints are similar. Compared with SAC305 solder, the SAC0705BiNi solder performs higher hardness and solder creep resistance and still maintains a good plasticity.     

3D封装芯片焊点可靠性有限元分析

选择工业中广泛使用的Sn,Sn3.9Ag0.6Cu钎料作为三维封装芯片键合焊点材料,采用ANSYS有限元软件建立三维封装模型,基于Garofalo-Arrhenius本构方程,进行?55 ~ 125 °C热循环模拟,并通过田口法探讨封装结构和工艺参数对焊点的可靠性影响. 结果表明,Cu柱与焊点接触处是整个结构的薄弱区域,在IMC焊点阵列中最右列第二个焊点处出现最大应力. 通过田口法,结合有限元模拟结果,获得了4个因子对S/N的贡献度由大到小依次为:焊点阵列、焊点高度、芯片厚度、焊点材料. 其中焊点阵列的影响最大,其次是焊点高度、芯片厚度,焊点材料影响最小. 基于优化设计,获得了最优的匹配组合为3 × 3阵列,焊点高度0.02 mm,芯片厚度0.2 mm,焊点材料Cu₆Sn₅.     

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.     

SMT焊点三维形态的剖视分析方法

改善焊点形态是提高ＳＭＴ（表面组装）焊点可靠性的重要途径,本文在ＳＭＴ焊点三维 形态预测结果的基础上,建立了剖分焊点、获得焊点剖面形态的数学方法,初步生成了焊点力学分析的有限元网格,实现了焊点形态预测模型与可靠性分析模型的集成。设计了剖分焊点、多窗口显示焊占 可视化软件,与焊占ｖｏｌｖｅｒ有效集成,可快速、直观地获得焊点剖面形态。利用该软件系统分析了焊点表面形态的三维曲面特征,给出了不同的钎料量对     

面阵列封装互连结构热循环翘曲变形抗力

借助有限元软件对钎料球、钎料柱和铜柱阵列互连结构热循环载荷下的翘曲变形行为进行研究. 结果表明，三者升温过程均表现为刚度低的树脂基板呈下凹变形、而降温至0 ℃后呈现上凸变形，变形规律相同. 不同温度下两端基板的热膨胀系数差异引发的基板内及相连焊球/焊柱内的应力及力矩是翘曲变形发生的驱动力. 两焊柱阵列互连的基板翘曲位移接近，但均明显低于焊球阵列的基板，翘曲变形抗力更大. –40~125 ℃热循环温度范围及基板尺寸条件下，铜柱未屈服，相对钎料柱阵列互连，未表现铜柱可挠曲变形释放应力的优势.     

Study on solder joint reliability of ceramic ball grid array component based on design of experiment method

Four process parameters, pad diameter, stencil thickness, ball diameter and stand-off were chosen as four control factors. By using an L25 （5^6 ） orthogonal array the ceramic ball grid array （ CBGA ） solder joints which have 25 different combinations of process parameters were designed. The numerical models of all the 25 CBGA solder joints were developed using the Sugrace Evolver. Utilizing the sugrace coordinate exported from the 25 CBGA solder joints numerical models, the finite element analysis models were set up and the nonlinear finite element analysis of the CBGA solder joints under thermal cycles were pegrormed by ANSYS. The thermal fatigue life of CBGA solder joint was calculated using Coffin-Manson equation. Based on the calculated thermal fatigue life results, the range analysis and the variance analysis were pegrormed. The results show that the fatigue life of CBGA solder joint is affected by the pad diameter, the stencil thickness, the ball diameter and the stand-off in a descending order, the best combination of process parameters results in the longest fatigue life is 0.07 mm stand-off, 0.125 mm stencil thickness of, 0.85 mm ball diameter and 0. 89 mm pad diameter. With 95% confidence the pad diameter has a significant effect on the reliability of CBGA solder joints whereas the stand-off, the stencil thickness and the ball diameter have little effect on the reliability of CBGA solder joints.     

THE DESIGN OF AN INTEGRATED SYSTEM FOR PREDICTING AND ANALYZING SOLDER JOINT SHAPE AND RELIABILITY IN SMT

1.IntroductionOnecriticalaspectinelectronicpackagingisthefatigUe/creep--inducedfailureinsolder(tin--leadbasedalloy)interconnections.previouswork,[l--ZJhaveprovedthatthesolderjointreliabilitydependsonthesolderjointshape(amongotherparameters).Manyissueshavefocusedontheresearchaboutsolderjointshapesince90.However,asystematicmethodofpredictingandanalyzingsolderjointshapeandreliability,whichcanheusedindirectingpracticalengineering,isstillnotgiven.Basedontheobject--orientedaPPmach,anintendedsystem…     

CuSnTi钎料焊膏与焊片钎焊性能对比

为验证CuSnTi_8-5焊膏的熔化条件可以使用与焊片相同的焊接工艺,以及其钎焊接头性能不低于焊片接头性能,分别使用差热分析(DSC)、铺展性试验及测试接头力学性能,并使用扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)对接头进行组织分析,研究比较了焊膏与焊片相关性能表现。试验结果表明,CuSnTi_8-5焊膏与焊片有着接近的固液相温度,其完全满足焊片的焊接工艺;焊膏的润湿铺展性能优于焊片,且其钎焊接头强度高于焊片接头。分析其原因,在于同样的钎焊温度下,焊膏与基材作用时间长,可获得更多的润湿动能,因此呈现更高的铺展系数。另外,焊片无法像焊膏在焊缝周围形成明显的润湿圆角,影响了接头力学性能。通过组织分析,二者钎缝与母材间形成的Cu-Ti固溶体状态不同是造成了润湿性与接头力学性能差异的原因。