光电互联PCB热循环可靠性研究

研究热循环加载对光电互联印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)可靠性的影响。在光电互联PCB的设计阶段,建立光电互联PCB的三维有限元模型,在GJB 150.5—86规定的热循环加载条件下,对光电互联PCB焊点的可靠性、光耦合效率和光纤带的可靠性进行了研究。分析表明,光电互联PCB焊点最大应力、光纤最大应力均处于安全区域,结构不会发生破坏,且光电耦合效率不会发生显著变化,保证了光传输的稳定性。研究验证了设计方案的可行性,促进了光电互联技术的工程化。     

基于焊点形态的工艺参数对底部引线塑料封装器件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为四个关键因素,采用水平正交表L25(56)设计25种不同参数水平组合的底部引线塑料封装(bottom leaded plastic,BLP)器件焊点,建立25种焊点的形态预测模型和有限元分析模型;对热循环加载条件下BLP焊点进行非线性有限元分析,计算25种不同焊点形态的BLP焊点热疲劳寿命;基于热疲劳寿命计算结果进行极差分析.结果表明,四个因素对BLP焊点热疲劳寿命影响由大到小的顺序依次是焊盘宽度、焊盘长度、间隙高度和钢网厚度;可靠性最高的BLP焊点工艺参数水平组合为焊盘长度1.1 mm、焊盘宽度0.65 mm、钢网厚度0.15 mm和间隙高度0.09 mm.     

基于Icepak的风门作动器PCB板热分析及优化

针对飞机辅助动力装置(APU)风门作动器工作环境温度高、器件功率密度大、容易高温失效的实际问题,研究了其电机驱动PCB板的热分析及优化设计问题。首先基于各器件功率、工作环境、产品热设计等技术要求和风门作动器原理,建立了其PCB板的SolidWorks模型;其次基于ANSYS Icepak软件对PCB板进行散热有限元仿真分析,并根据结果确定通过散热器强化散热措施;最后优化设计了散热器基底与肋片,并比较了优化前后的散热效果。结果表明:在高温密闭环境下,PCB板的热设计与散热优化措施有效,提高了风门作动器可靠性。     

无铅BGA回流焊残余应力仿真分析

以热弹塑性理论为基础,建立无铅BGA焊点在回流焊工艺中的残余应力有限元模型,采用ANSYS进行热结构耦合分析,得到Sn3.5Ag0.75焊点回流冷却结晶后的残余应力分布规律。并针对焊点的直径、焊点的高度、PCB板的厚度和对流系数四个因素建立正交试验表,分析这四个因素对BGA冷却过程中残余应力影响规律,通过极差分析得出影响程度由大到小分别为对流系数、焊点高度、焊点直径、PCB板厚度,对控制BGA回流冷却残余应力提供理论指导。     

片式元器件无焊缝焊点热循环加载应力应变分析

建立了片式元器件无焊缝焊点有限元分析模型,研究了热循环加载条件下焊盘长度、焊盘宽度、焊点体积和焊点材料对焊点热循环应力应变的影响。结果表明:热循环加载条件下,片式元器件无焊缝焊点内的应力应变大于有焊缝焊点;在只单一改变焊盘长度、焊盘宽度和焊点体积的前提下,无焊缝焊点内的最大应力应变随焊盘长度和焊点体积的增大而增大、随焊盘宽度的增大而减小;对于Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、SAC305和SAC387这四种焊料,采用无铅焊料SAC305的无焊缝焊点内的最大应力应变最小。     

强冲击条件下MEMS封装可靠性有限元分析

在强冲击载荷(104g或更高,g为重力加速度)作用下,弹载微电子机械系统(Micro electro-mechanical system,MEMS)(如陀螺仪或加速度计)及电子器件的封装和互连结构失效是影响整弹可靠性及其任务成功性的重要因素.利用有限元建模和动态响应仿真分析方法对强冲击条件下板级微电子机械系统封装结构的可靠性问题及其影响因素进行研究.有限元动态响应分析方法针对MEMS陀螺仪的典型封装结构——无引脚芯片载体进行.分析过程中焊点材料选取更接近工程实际的双线性随动硬化材料模型,详细分析相关敏感因素对焊点互连结构可靠性的影响,并给出提高封装结构可靠性的工程设计建议.     

焊点密度对焊接板件模态影响的仿真分析

板件焊接中,焊点的密度决定了焊接后结构的静态和动态性能,而有限元模态分析是了解系统动态特性的方法之一。基于有限元方法,详细阐述了焊接板件有限元模型的建立方法以及模态分析方法。模态分析结果表明焊点密度对焊接板件模态频率、振型有一定影响,对板件焊接实际应用有一定的指导意义。     

焊点形态、受力分析及QFN焊盘结构设计

将QFN(Quad Flat No-Lead)封装器件通过表面贴装技术焊接到PCB(Printed Circuit Board)的过程中,熔化的焊点在器件与PCB间形成液桥。为了提高焊接的成功率,不仅要在PCB上设计合理的焊盘尺寸,还要了解液化焊点的形态及受力情况。利用毛细力学的理论,根据液态焊点的形态特征,建立焊点受力模型,在液态焊点体积恒定的条件下求解焊点的形态微分方程。根据液桥的形态特征参数和刚度特性曲线的变化,分析芯片的可焊接区间,并通过与Surface Evolver(SE)的仿真结果进行对比以证明方法的有效性。     

回流焊工艺中PBGA焊点失效研究

在PGBA封装中,焊点不仅提供机械支撑、电传导和热传导等作用,同时承受着电子设备的高温运行中,频繁的受热、机械、电载荷作用。因此,考虑到焊点质量直接关系到PGBA产品在实际应用中的可靠性,采用有限元方法研究了PBGA焊点在回流焊工艺中热应力、应变的分布规律,确定最大应力、应变位置,进而预测PBGA焊点结构失效危险点。结果表明,PBGA焊点最大应力、应变均出现在焊点与BGA、PCB连接面拐角位置,由此可知,PBGA拐角处焊点为结构失效危险点。     

基于无损检测的高分辨率PCB板焊点缺陷检测系统

为了能快速、准确地对BGA封装器件的PCB板上的焊点进行缺陷检测,设计了高分辨率X-射线无损检测的缺陷检测系统.给出了系统的基本工作原理和硬件结构,采用等比例成像的方法求解了获得最高分辨率的距离信息.分析了系统可能存在的噪声源,并设计了去噪算法用于提高图像信噪比.试验采用HAWK-180XI型X-射线源、高速图像采集卡和UNIQ-2000型CCD相机等对BGA封装的PCB板缺陷进行检测,结果显示:系统可以快速有效地获得被测PCB板的图像信息,并给出缺陷的位置、尺寸等特征信息,满足设计要求.     

一种面向动态分析的PCB板等效建模方法

有限元分析是PCB板动态分析的一种常用方法.由于PCB板上元器件结构复杂、材料众多,因而仿真建模复杂或无法建模.为此,提出了一种面向动态性能分析的PCB板等效建模方法,将PCB板等效为和原PCB板主尺寸相同的均质等厚板,采用质量相等原则获得等效板密度,并基于振动理论和有限元理论推导了等效刚度的计算方法.在此基础上,分析了元器件的刚度、质量和分布等因素对等效刚度的影响.最后对某服务器机箱PCB进行了等效实例分析,结果表明了该等效方法的有效性.     

基于模式匹配及其参数自适应的PCB焊点检测算法

为了提高在线自动光学检测(AOI)系统检测印刷电路板(PCB)焊点的准确率和速度,对PCB焊点进行了研究。通过研究由特定结构光源和3CCD彩色相机获取的PCB焊点图像,基于常见的良品、多锡、少锡、假焊等焊点类型,提取焊点图像关键子区域的面积特征,在此基础上,建立了五种焊点类型的特征矩阵模型,并根据同类焊点相似程度最大为原则设计了检测焊点的模式匹配算法。此外,本文还给出了一种参数自适应方法对各检查项所用到的阀值参数进行学习与校正。在实验研究中,对含有1040个Chip焊点的PCB进行了检测,结果显示本文所提算法对焊点检测的准确率可达96.5%,检测所用时间为9秒。研究结果表明,本文算法具有较高检测准确率和检测速度。     

PBGA焊点的热疲劳寿命分析

采用焊点阵列数学分析的方法得到阵列在热循环载荷作用下,由于元件、焊点及基板的热膨胀系数不匹配所产生的阵列对关键点焊点的热位移影响。然后利用焊点盛开有软件得到焊点的形态,通过编制相关转换程序进行关键焊点的非一有限元分析,从而得到关键焊一内的最大变值,利用低周热疲劳寿命预测公式得到焊点的热疲劳寿命。     

板级光互连模块BGA焊点温振耦合应力应变有限元分析

基于Ansys软件建立了板级光互连模块有限元模型,并对模型进行了温振耦合加载分析,获取了耦合条件下应力应变的数据,分析了焊点高度、焊盘直径和焊球体积三种焊点形态参数的变化对焊点应力应变的影响。结果表明:焊点阵列内应力应变由中间位置处焊点向两端边角处焊点逐渐增大;最大应力应变出现于焊点阵列边角处的焊点上;随着焊点高度的增加,焊点阵列的最大应力应变逐渐增大,随着焊盘直径增大和焊球体积的增加,最大应力应变逐渐减小。     

基于时间应力及隐马尔可夫模型的焊点故障预测技术

焊点所承受的各种环境应力和工作应力的时间历程(时间应力)是其疲劳失效的直接外因.从时间应力导致焊点故障的机理入手,以焊点的三维有限元模型为基础,对焊点实时损伤的评估方法进行研究.通过建立焊点损伤及故障演化的隐马尔可夫模型,以实时损伤评估信息为基础,结合基于寿命消耗的故障预测方法,研究从时间应力测量的角度对焊点进行故障预测的详细技术流程和相关算法.最后以塑料四方扁平封装器件焊点为研究对象,对提出的焊点故障预测技术的有效性进行了试验验证和分析.     

PCB焊点的机器视觉精密定位系统

针对工业上PCB焊点定位问题,搭建了PCB焊点的机器视觉精密定位系统,提出了包括硬件系统、软件系统和图像处理算法的技术方案。通过亚像素级焊点轮廓检测、运动台四轴联动控制等手段,硬件、软件、算法三位一体相结合,提高系统的定位精度。开展了精度标定实验和焊点定位实验,证明了该系统在定位速度和精度上的可行性。     

行李箱内板焊点耐久开裂分析及对策研究

基于某车型开闭耐久试验中行李箱内板焊点出现开裂问题提出3种可能解决方案。以行李箱总成、行李箱铰链为研究对象,建立行李箱系统有限元模型,分析在正中关闭和左(或右)侧关闭行李箱两种工况下开裂焊点区域应力分布及不同对策的应力改善量。根据焊点疲劳寿命预估方法估算不同方案的疲劳寿命,根据应力和伤害值改善量,最终确定一种最有效的解决方案,同时校核行李箱总成刚性和行李箱与周边零件面差变化量,为行李箱铰链加强板焊点的设计提供思路和方法。     

基于数值模拟的多圈QFN封装热疲劳可靠性试验设计方法

提出一种基于数值模拟的试验设计方法,研究材料属性和几何结构对多圈四边扁平无引脚(Quad flat no-lead,QFN)封装热疲劳寿命的影响,并进行最优因子的组合设计,以提升热疲劳可靠性。采用Anand黏塑性本构模型描述无铅钎料Sn3.0Ag0.5Cu的力学行为,建立三维有限元模型分析焊点在温度循环过程中的应力应变,采用Coffin-Manson寿命预测模型计算多圈QFN封装的热疲劳寿命。采用Taguchi试验设计(Design of experiment,DOE)方法建立L27(38)正交试验表进行最优因子的组合设计。采用有限元分析方法对最优因子组合设计结果进行验证。结果表明,印制电路板(Printed circuit board,PCB)的热膨胀系数、焊点的高度和塑封料的热膨胀系数对热疲劳寿命的影响最为显著;初始设计情况下多圈QFN封装的热疲劳寿命为767次;最优因子组合设计情况下的热疲劳寿命提高到4 165次,为初始设计情况下的5.43倍。     

多特征融合灰色模型的板级焊点寿命预测研究

针对板级焊点故障数据繁杂、退化特征不明显、缺乏有效特征提取与预测方法的问题,搭建了板级焊点可靠性评估试验台,提出利用多特征参数融合的特征提取方法和灰色模型的故障预测方法。首先,对电子组件焊点的电阻变化数据进行时域特征参数的相关性分析实现多特征的聚类;其次,利用灵敏度和显著度对不同类别的时域统计特征进行度量,以此计算参数融合权值,构造多参数特征向量;最后,采用灰色模型对特征参数进行预测,并通过融合权值对预测结果进行比例融合。通过试验分析,该方法能够有效对焊点的剩余使用寿命进行预测,提供了一种实现电子设备故障预测与健康管理(PHM)的新思路与手段。     

80Au-20Sn钎料焊点可靠性研究现状与展望

共晶80Au-20Sn钎料在大功率电子及光电子器件封装中作为密封和芯片焊接材料特别具有吸引力,在这些应用中焊点的可靠性对于满足设备长期稳定运行至关重要。简要回顾了钎料焊点可靠性提出的背景,介绍了焊点可靠性的评价方法及当前不同工艺对80Au-20Sn钎料焊点的影响;指出今后其可靠性研究重点主要集中在复杂服役条件下焊接工艺优化、焊点可靠性测试方法、焊点寿命预测模型以及焊点本构模型等方面。