刚挠背板动力学仿真与焊点可靠性研究

根据通信设备中刚挠背板互联结构,建立了有限元模型。采用两种约束方案,通过模态分析获得其固有频率和振型;通过随机振动分析,获得其应力应变;根据Coffin-Manson经验公式,结合三带技术建立了互联焊点的振动疲劳寿命预测模型,并计算了其疲劳损伤。结果表明:备用状态下互联结构的一阶固有频率为141Hz,工作状态下为988Hz;随机振动负载条件下刚挠结合部位及焊点与刚性背板连接区为应力集中区;对备用状态下互联结构施加z方向激励,焊点的疲劳损伤最大。     

大尺寸陶瓷BTC器件焊点过应力开裂失效分析

对大尺寸陶瓷BTC器件焊点过应力开裂现象进行了研究。通过有限元仿真和金相切片分析得到了印制板焊盘、器件布局及装配过应力为引起BTC器件焊点过应力开裂主要原因,依此制定了改进焊盘、优化器件布局及减少装配应力的改进措施。有限元仿真分析表明,采用了改进措施后的BTC焊点在温度载荷和螺钉紧固力加载下所受应力减小,对改进后的BTC焊点进行了环境应力、耐久振动、温度循环等试验以及焊点金相切片分析,结果表明焊点未见开裂,验证了改进措施的有效性。     

底部填充物对CSP-LED芯片抗跌落性能研究

为了提高芯片级封装发光二极管(CSP-LED)焊点疲劳寿命,利用有限元仿真软件ABAQUS模拟计算了CSP-LED芯片在跌落冲击载荷下焊点的塑性应变,并研究了裂纹拓展趋势。以焊点失效前跌落次数为指标,利用Coffin-Manson经验公式计算焊点寿命,研究了底部填充物对CSP-LED芯片在不同冲击载荷下焊点寿命的影响。结果表明,随着冲击载荷增大,焊点疲劳寿命减少,使用填充物能使芯片焊点寿命提高4~6倍,其影响通过跌落实验和仿真结果的对比得到了验证。     

磁场对Sn-0.3Ag-0.7Cu焊点显微组织及性能影响研究

以Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)低银无铅钎料焊点为研究对象,在焊点凝固过程中施加2.3T匀强磁场,通过观察低银无铅焊点显微组织变化,揭示磁场对焊点凝固及固态扩散行为影响;利用Fe、Ni增强元素对比得出SAC0307在不同环境下的凝固和固态扩散行为。将焊点置于电流密度为3×10~3 A/cm~3的磁电耦合环境下,观察了磁电耦合条件下焊点的显微组织演变过程,并总结了磁场对焊点电迁移行为的影响。结果表明:静磁场条件下,焊点界面处IMC形态由扇贝状向针状转变;IMC倾向于向钎料内部快速生长;Fe、Ni的加入进一步促进IMC生长。     

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。     

微尺度BGA焊点拉伸过程有限元仿真分析

建立了微尺度 BGA焊点拉伸有限元分析模型,研究了拉伸加载条件下焊点高度、直径和焊盘直径对焊点拉伸应力应变的影响。结果表明：拉伸条件下,微尺度 BGA焊点顶端和底端的应力应变要大于焊点中间部分,焊点顶部和底部位置为高应力应变区域;在只单一改变焊点高度、直径和焊盘直径其中之一的前提下,随着焊点高度、直径和焊盘直径的增加,微尺度BGA焊点内的最大应力应变均相应减小;在置信度为90%的情况下,焊点直径对拉伸应力影响最大,其次是焊盘直径,最后是焊点高度;焊点直径对焊点拉伸应力具有显著影响,焊盘直径和焊点高度对焊点拉伸应力影响不显著。     

气孔缺陷对同轴电缆焊点热疲劳寿命影响

利用ANSYS软件建立了热循环条件下同轴电缆焊点的三维有限元模型,分析了气孔的大小及位置对焊点在热循环过程中的应力应变分布特征的影响,结合Manson-Coffin方程预测了不同气孔大小及位置对焊点的热疲劳寿命的影响.结果表明:气孔的存在使焊点的热疲劳寿命急剧缩短;相同尺寸的气孔存在于焊点内部时位置的改变对热疲劳寿命影响很小;处于焊点内部的气孔对焊点的疲劳寿命影响要小于靠近表面的气孔;处于焊点根部的气孔对焊点疲劳寿命的影响要远大于其它位置的气孔;气孔越大,对焊点的疲劳寿命影响越大.     

LGA焊点形态对焊点寿命影响的有限元分析

通过Surface Evolver软件对LGA焊点进行了三维形态预测,利用有限元数值模拟对LGA焊点在热循环条件下寿命进行了分析。研究了热循环条件下LGA焊点的应力应变分布规律,随着焊点远离元件的中心位置焊点所受到的等效应力、等效应变和塑性应变能密度逐渐增大,从而得出处于外面拐角的焊点最先发生失效的结论。基于塑性应变范围和Coffin-Manson公式计算了焊点热疲劳寿命;找出了LGA焊点形态对焊点寿命的影响规律,模板厚度一定时PCB焊盘尺寸小于上焊盘时LGA焊点的热疲劳寿命与PCB焊盘尺寸成正比,大于上焊盘时成反比,大约相等时焊点寿命最大。当PCB焊盘和模板开孔尺寸固定时,通过增大模板厚度来增加焊料体积在一定程度上可提高LGA焊点的热疲劳寿命,但是模板厚度增大到一定值时LGA焊点寿命会逐渐降低。     

随机振动下不同结构参数的PCBA可靠性研究

为减小振动因素对产品失效的影响,改进PCBA组件的结构参数,提高PBGA(塑料球栅阵列)振动可靠性。采用有限元法,运用模态分析,得出结论:固支数目越多,焊点的振动可靠性越好。此外,利用随机振动模块,分析了板级振动条件下,焊点位置、焊点材料、PCB厚度、BGA焊点高度对可靠性的影响,并且利用焊点的疲劳寿命模型计算出关键焊点的疲劳寿命。结果表明:焊点最容易失效的位置位于焊点的顶角处;相比于Pb90Sn10、Sn63Pb37、Mix、SAC387这四种材料,SAC305的疲劳寿命最高;PCB的厚度和焊点的疲劳寿命成正比;焊点高度和焊点的疲劳寿命成反比。     

波峰焊焊点有限元模型的建立与分析

焊点在热循环服役条件下的力学行为分析是研究互连焊点失效机制的可行手段.采用MSC.MARC2000/MENTAT2000建立波峰焊焊点可靠性分析有限元模型,利用有限元计算软件Surface Evolver来对模型进行求解,研究三维空间中由重力、表面张力和其它形式的外力作用下的液体表面的成型问题.通过对典型插装元器件波峰焊焊点建立有限元分析的力学模型和在热循环载荷下应力应变过程,分析焊点内部力学参量和应力场的分布特征,结合通孔波峰焊点的热冲击可靠性测试结果,以此研究焊点失效机制.     

Solder connections for high frequency applications between flexible and rigid printed circuit boards

This article examines the backplane connector technology for high frequency use and presents a novel concept for shielded enclosures without air vents. The experimental soldering of connections between a flexible printed circuit (flex, for short) and a FR4-board as part of a backplane connector is presented. A very high contact density is reached by soldering vias on the flex to pads on the FR4; this soldering was performed both with ordinary Sn/Pb solder material and as well with lead-free solder alloy. The solder joints were examined using a scanning electron microscope (SEM) and the electrical properties of the flex/solder joint structure were measured.     

热循环参数及基板尺寸对焊点可靠性的影响

采用Ansys软件建立BGA倒装芯片模型考察焊点的热应力。通过改变热循环保温时间、温度范围和最高温度,研究各参数对焊点热疲劳寿命的影响,同时也考察了基板的长度和厚度的影响。采用Coffin-Manson方程计算并比较热循环寿命。结果表明:随着热循环高低温停留时间、温度范围以及最高热循环温度的增大,热循环寿命减小,最小寿命为879周;同时热循环寿命也随着基板长度和厚度的增大而减小。     

温度循环条件下微弹簧型CCGA焊柱的热疲劳寿命仿真研究

对比封装体不同的热疲劳寿命预测模型,选择适用于微弹簧型陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装的寿命预测模型,并对焊点的热疲劳机制进行分析。利用Workbench对焊点进行在温度循环载荷作用下的热疲劳分析。对比不同热疲劳寿命预测模型的结果,表明基于应变能密度的预测模型更适用于微弹簧型CCGA。随后对等效应力、塑性应变、平均塑性应变能密度和温度随时间变化的曲线进行分析,结果表明,在温度保持阶段,焊柱通过发生塑性变形或积累能量来降低其内部热应力水平,减少热疲劳损伤累积;在温度转变阶段,焊柱的应力应变发生剧烈变化,容易产生疲劳损伤。     

A microstructural study of the thermal fatigue failures of 60sn-40Pb solder joints

When an electronic package encounters thermal fluctuations, cyclical shear strain is imposed on the solder joint interconnections. The thermal cycling leads to a condition of thermal fatigue and eventual solder joint failure. This study was performed in order to understand the microstructural mechanisms that lead to solder joint failures in thermal fatigue. Thermal cycling tests were performed on 60Sn-40Pb joints using a -55° C to 125° C cycle and 19% imposed shear strain. A heterogeneously coarsened region of both Pb and Sn-rich phases develops within the 60Sn-40Pb solder joints. Cracks initiate in the heterogeneously coarsened Sn-rich phase at the Sn-Sn grain boundaries. Heterogeneous coarsening and failure occurs in both high (35 to 125° C) and low (-55 to 35° C) thermal cycles. The elevated temperature portion of the thermal cycle was found to be the most significant factor in the heterogeneous coarsening and failure of the solder joints.     

一种低成本倒装芯片用印刷凸焊点技术的研究

利用化学镀底部金属化层结合丝网印刷制作凸焊点的技术,通过剪切实验得到了凸焊点的剪切强度,用电子显微镜对失效表面进行了分析研究,应用SEM及EDAX分析了凸焊点的组织结构与成分变化,对热老炼后凸焊点的强度变化进行了研究。结果表明凸焊点内部组织结构的变化是剪切失效的主要原因。经X光及扫描声学显微镜检测,表明组装及填充工艺很成功。对已完成及未进行填充的两种FCOB样品进行热疲劳实验对比,发现未进行填充加固的样品在115周循环后出现失效,而经填充加固后的样品通过了1 000周循环,表明下填料明显延长了倒装焊封装的热疲劳寿命。     

叠层芯片封装元件热应力分析及焊点寿命预测

研究了温度循环载荷下叠层芯片封装元件(SCSP)的热应力分布情况,建立了SCSP的有限元模型。采用修正后的Coffin-Masson公式,计算了SCSP焊点的热疲劳寿命。结果表明:多层芯片间存在热应力差异。其中顶部与底部芯片的热应力高于中间的隔离芯片。并且由于环氧模塑封材料、芯片之间的热膨胀系数失配,芯片热应力集中区域有发生脱层开裂的可能性。SCSP的焊点热疲劳寿命模拟值为1 052个循环周,低于单芯片封装元件的焊点热疲劳寿命(2 656个循环周)。     

温度对焊点可靠性的影响

本文叙述了焊点失效的机理和热循环对焊点可靠性的影响。     

热循环加载片式元器件带空洞无铅焊点的可靠性

建立了片式元器件带空洞无铅焊点有限元分析模型,研究了热循环加载条件下空洞位置和空洞面积对焊点热疲劳寿命的影响.结果表明:热循环加载条件下空洞位置和空洞面积显著影响焊点热疲劳寿命.空洞位置固定于焊点中部且面积分别为7.065×10-4,1.256×10-3,1.963×10-3和2.826×10-3mm2时,焊点热疲劳寿...     

粘结层空洞对功率器件封装热阻的影响

功率器件的热阻是预测器件结温和可靠性的重要热参数,其中芯片粘接工艺过程引起的粘结层空洞对于器件热性能有很大的影响。采用有限元软件Ansys Workbench对TO3P封装形式的功率器件进行建模与热仿真,精确构建了不同类型空洞的粘结层模型,包括不同空洞率的单个大空洞和离散分布小空洞、不同深度分布的浅层空洞和沿着对角线分布的大空洞。结果表明,单个大空洞对器件结温和热阻升高的影响远大于相同空洞率的离散小空洞;贯穿粘结层的空洞和分布在芯片与粘结层之间的浅空洞会显著引起热阻上升;分布在粘结层边缘的大空洞比中心和其他位置的大空洞对热阻升高贡献更大。     

热循环过程中焊点残余应变的研究

采用激光云纹干涉法,测量了不同热循环规范下焊点内的残余应变分布及最后失效的的焊点内最大的累积残余应变(即累积塑性变形),结果表明:材料热膨胀系数的不匹配导致焊点中存在很大的剪切变形,而且焊点内的残余应变的分布是很不均匀的;对应于同一种焊料,不同的热循环规范下焊点失效时的累积塑性变形基本上相同,可以认为对于焊点来说,失效时的累积塑性变形是一个常数,这可以作为热循环过程中焊点失效的判据。