功率循环载荷下BGA焊点应力与应变分析

建立了球栅阵列封装(ball grid array, BGA)焊点有限元分析模型，基于ANAND本构方程，分析了BGA焊点在功率循环载荷下应力与应变的分布情况，并搭建试验平台，完成了功率循环载荷下BGA封装器件应力与应变的测量试验，验证了仿真分析的可行性.选取焊点高度、焊点直径、焊盘直径和FR4基板厚度完成了正交试验分析，通过非线性回归分析得到高拟合度的BGA焊点功率循环应力量化评价模型.结果表明，BGA焊点结构参数对焊点应力影响大小排序为焊盘直径、FR4基板厚度、焊点直径和焊点高度，焊盘直径对BGA焊点应力影响显著，焊点直径、焊点高度和FR4基板厚度对BGA焊点应力影响不显著；最优参数水平组合为焊点高度0.39 mm、焊点直径0.42 mm、焊盘直径0.34 mm和FR4基板厚度0.8 mm，最优水平组合下BGA焊点应力与应变明显降低.     

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.     

基于正交设计的WLCSP柔性无铅焊点随机激励应力应变分析

对晶圆级芯片尺寸封装(wafer level chip scale package, WLCSP)柔性无铅焊点进行了随机振动应力应变有限元分析. 以1号柔性层厚度、2号柔性层厚度、上焊盘直径和下焊盘直径四个结构参数作为关键因素,采用正交表设计了16种不同结构参数组合的柔性焊点,获取了16组应力数据并进行了方差分析. 结果表明:焊点内最大应力应变随1号柔性层厚度和2号柔性层厚度的增加而减小;在置信度99%时,下焊盘直径和上焊盘直径对应力具有高度显著影响,在置信度95%时1号柔性层厚度和2号柔性层厚度对应力具有显著影响;各因素对应力影响排序为:下焊盘直径影响最大,其次是上焊盘直径,再次是1号柔性层厚度,最后是2号柔性层厚度.     

基于田口法的CSP器件结构优化设计

为提高芯片尺寸封装(CSP)器件的焊点可靠性,基于田口法,采用Garofalo-Arrhenius稳态本构方程和有限元法,对CSP器件焊点热循环载荷下的应力应变分布进行有限元模拟. 考虑焊点材料、焊点高度、芯片厚度、基板厚度四个控制因素,借助田口法,采用正交表L9(34)安排试验,研究发现影响焊点可靠性的主要影响因素为焊点材料和焊点高度. 经过田口试验法优化得到的最佳方案组合为焊点材料Sn3.9Ag0.6Cu,焊点高度0.29 mm,芯片厚度0.1 mm,基板厚度0.17 mm. 该最优方案和原始设计方案相比,蠕变应变能密度降低65.4%,信噪比提高了9.22 dB. 结果表明,CSP器件焊点可靠性得到显著提高.     

基于焊点形态预测与塑性应变计算的工艺参数对QFP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4个工艺参数作为关键因素,采用水平正交表L25(56)设计了25种不同参数组合的208脚、0.5mm引脚间距四方扁平封装(Quad Flat Package:QFP)器件焊点;建立了这25种焊点的三维形态预测模型和三维有限元分析模型;对热循环加载条件下QFP焊点进行了非线性有限元分析,基于塑性应变采用Coffin-Manson方程计算了25种不同焊点形态的QFP焊点热疲劳寿命;针对热疲劳寿命计算结果,进行了极差分析与方差分析。结果表明,最优的工艺参数组合为焊盘长度1.25mm,焊盘宽度0.30mm,钢网厚度0.125mm,间隙高度0.05mm;在置信度为90%的情况下,焊盘长度对QFP焊点可靠性具有显著影响而焊盘宽度、钢网厚度、间隙高度对可靠性无显著影响。     

热循环载荷下POP堆叠焊点应力分析与优化

建立叠层封装(packaging on packaging,POP)堆叠焊点有限元模型,基于ANAND本构方程,分析了热循环载荷下焊点应力分布状态及热疲劳寿命;基于灵敏度法分析了POP封装结构参数对焊点热应力的影响显著性;基于响应面法建立POP堆叠焊点热应力与结构参数的回归方程,并结合粒子群算法对结构参数进行了优化.结果表明,焊点与铜焊盘接触处应力最大,该处会率先产生裂纹,上层焊点高度和下层焊点高度对POP堆叠焊点热应力影响较为显著;最优结构参数水平组合为上层焊点高度0.35 mm、下层焊点高度0.28 mm、中层印刷电路板厚度0.26 mm,优化后上、下两层焊点的最大热应力分别下降了0.816和1.271 MPa,延长了POP堆叠焊点热疲劳寿命.     

3D-TSV互连结构随机振动加载应力分析

建立了三维硅通孔 (three-dimension through silicon via,3D-TSV )互连结构有限元分析模型,对该模型进行了随机振动加载有限元分析. 选取TSV高度、TSV直径、微凸点高度和微凸点直径四个结构参数作为关键因素,采用水平正交表L₁₆(45)设计了16种不同结构参数的3D-TSV互连结构,获取了这16种3D-TSV互连结构随机振动应力数据并进行了方差分析. 结果表明,在置信度为99%的情况下,TSV高度对3D-TSV互连结构随机振动应力有显著影响,因素显著性的排序由大到小为TSV高度最大,其次为TSV直径,再次为微凸点直径,最后是微凸点高度;单因子变量分析表明,TSV互连结构应力应变随TSV高度的增加而增大.     

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.     

基于正交设计和灰色关联的硅通孔互连结构随机振动优化设计

建立了硅通孔（TSV,through silicon vias）互连结构三维有限元分析模型,对该模型进行了随机振动分析.以TSV互连结构的最大等效应力、最大等效应变、一阶固有频率、二阶固有频率为目标函数,选取TSV高度、TSV直径、微凸点高度和微凸点直径四个结构参数为设计变量进行多目标正交优化设计,结合灰色关联分析法获得了优化设计的最优参数组合,使TSV互连结构的最大等效应力降低4.59%,最大等效应变降低22.56%,并且一阶固有频率增加了4.91%,二阶固有频率增加了4.46%.研究表明,可以将正交试验法与灰色关联分析法相结合应用于TSV互连结构优化设计,对提高TSV互连结构在随机振动条件下的综合性能具有较高的实用性.     

Influences of fine pitch solder joint shape parameters on fatigue life under thermal cycle

1 INTRODUCTION The electronicer industry is driven mainly by the demand for“smaller ,faster ,higher complexi- ty ,lower power consumption and cheaper”[1]. To meet these needs , the demand for smaller size , higher density and higher heat dissipationintegrat- ed circuit (IC) chips is on the rise . With the requirements of high performance and small pack- age size ,the design of IC chips is headed toward higher pin count ,smaller pad size and fine pitch; consequently ,the fine pitch tech…     

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.     

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.     

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.     

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.