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.     

倒装焊底充胶分层与SnPb焊点热疲劳的可靠性

采用实验和有限元模拟,研究了底充胶分层和ＳｎＰｂ焊点的可靠性。结果表明,底充胶分层易发生在芯片／底充胶界面边缘处;当底充胶与芯片粘合强度较弱时,底充胶的早期分层是焊点中裂纹萌生扩展从而导致失效的直接原因;当底充胶与芯片粘合强度较强时,分层可以削弱底充胶对焊点的机械耦合作用,从而影响焊点的热循环寿命,此时,焊点热疲劳裂纹是焊点失效的直接原因。     

WLCSP30器件SnAgCuFe焊点可靠性研究（英文）

研究Sn Ag Cu Fe焊点的本构方程,采用拉伸测试拟合本构模型的9个参数。基于有限元模拟应用Anand模型分析WLCSP30器件Sn Ag Cu Fe焊点的应力-应变响应。结果表明,器件最大应力集中在拐角焊点上表面,Sn Ag Cu Fe焊点应力值明显小于Sn Ag Cu焊点。基于疲劳寿命预测模型,证实微量的Fe可以显著提高Sn Ag Cu焊点疲劳寿命,因此Sn Ag Cu Fe可以替代传统的Sn Pb应用于电子封装。     

WLCSP器件Sn3.9Ag0.6Cu焊点疲劳寿命预测

基于蠕变模型采用有限元法对WLCSP30器件Sn3.9Ag0.6Cu焊点可靠性及疲劳寿命进行预测.研究发现WLCSP器件整体的最大应力集中在阵列最拐角焊点的上表面处,该部位可能成为焊点裂纹的发源地,试验结果也验证了模拟结果的正确性.对焊点应力—应变分析,发现焊点部位出现明显的蠕变应变和蠕变应变能累积现象,结合焊点疲劳寿命方程,预测焊点疲劳寿命,发现基于蠕变应变能密度的计算结果和试验结果较吻合,但是基于蠕变应变的预测结果和试验结果相差较大,因此基于蠕变应变的疲劳寿命预测方程需要进一步的研究.     

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.     

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.     

基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测

Anand模型采用有限元法模拟WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu-X（Ce，Fe）无铅焊点在热循环载荷条件下的应力-应变响应，借助蠕变应变疲劳寿命预测模型SnAgCu，SnAgCuCe，SnAgCuFe焊点疲劳寿命.结果表明，在服役器件整体器件出现明显的变形现象，电路板翘曲严重.从中心到拐角焊点变形-应力-应变逐渐增加，芯片下拐角焊点成为整个结构潜在的危险区域.通过计算WLCSP器件SnAgCu、SnAgCuCe和SnAgCuFe三种焊点的疲劳寿命，证实了SnAgCuCe和SnAgCuFe焊点寿命明显高于SnAgCu焊点，证明了在SnAgCu中添加一定量的铈和铁可以显著提高SnAgCu焊点的使用寿命，分析结果为新型无铅钎料的研发提供理论支撑.     

倒装焊Sn—Pb焊点的热疲劳失效

对倒装焊Sn-Pb焊点进行了热循环实验,结合三维全局有限元模拟的结果,研究了Sn-Pb焊点热疲劳失效,结果表明,充胶后焊点内塑性应变范围减小近一个数量级,从而显著降低焊点的疲劳损伤后,由于底充胶改变了Sn-Pb焊点应力、应变分布,使得充胶前后焊点裂纹位置发生改变,Sn-Pb焊点热疲劳裂纹萌生于粗化的富Sn相,并穿过富Pb相沿Sn相生长,Sn和Pb晶粒的非均匀粗化趋势与模拟给出的剪切应变轴向分布一致。     

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.     

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。     

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.     

CSP器件无铅焊点可靠性的有限元分析

采用有限元方法对芯片尺寸封装(CSP)器件焊点可靠性进行模拟分析.运用Anand本构模型描述Sn3.OAg0.5Cu无铅焊点材料的粘塑性特性,研究了焊点的力学行为.结果表明,CSP焊点最大应力区为拐角芯片所下压的焊点上表面处,对焊点应力最大节点的时间历程后处理结果显示,温度循环载荷下,焊点应力呈周期性变化,并有明显的应力松弛和积累迭加效应.对三种常用不同焊点高度尺寸下的焊点应力进行对比分析,发现三种尺寸中,0.35 mm×0.18mm焊点的可靠性最好.还模拟对比了芯片厚度不同对焊点可靠性的影响,结果显示芯片厚度对焊点可靠性影响较小.

Abstract：

Finite element method was employed to analyze the reliability of soldered joint in a CSP device. Anand model was used to establish the constitutive equation of Sn3.0Ag0.5Cu solder, the stress behavior of soldered joint was studied. The results indicate that the maximal stress is located at the upper surface of the soldered joint which is under the outermost of chip. The phenomenon of stress relaxation and accumulated enhancement could be observed abviously from the curves of stress and temperature with time cycle. Reliability of soldered joints with three usually-used heights are compared, and the results shows that the 0.35 mm ×0.18 mm one has the best reliability. Moreover, the influence of chip thickness on the reliability of soldered joints are investigated in the last part, the simulation result indicates that the influence is little.     

不同阵列PBGA器件焊点可靠性分析

采用Anand模型描述钎料本构关系,对温度循环载荷下两种不同阵列形式的塑料球栅阵列(PBGA)Sn3.0Ag0.5Cu焊点的应力应变响应进行有限元分析.结果表明,两种不同阵列条件下,关键焊点的位置均由芯片拐角位置决定.芯片尺寸改变时,PB.GAl21焊点的最大应力值随芯片尺寸的增大而增大,但PBGA81的最大应力值随芯片尺寸增大先减小后增大.凭借Engelmaier修正的Coffin-Manson寿命预测方程,分别预测了两种不同阵列PBGA器件四种芯片尺寸条件下焊点的热疲劳寿命,结果表明芯片尺寸对焊点疲劳寿命有较大影响.     

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.     

63Sn37Pb钎焊接头稳态蠕变本构方程的建立

采用高温蠕变测试装置，以简化的Dorn公式为基础．对63Sn37Pb微型单搭接钎焊接头蠕变应变进行了测试．确定了应力指数、蠕变激活能以及相关常数。建立了63Snd7Pb钎焊接头稳态蠕变本构方程，描述了稳态蠕变速率与应力和温度相关性。结果表明，钎焊接头应力指数和激活能均低于钎料本身的应力指数和激活能．说明钎料本身蠕变行为并不能完全代表钎焊接头的蠕变行为。     

WLCSP30器件SnAgCuFe焊点可靠性

Anand constitutive model of SnAgCuFe solder joints was studied, and the nine parameters was determined based on tensile testing. And the model was incorporated in finite element code for analyze the stress-strain response of SnAgCuFe solder joints in WLCSP30 device. The results indicate that the maximum stress concentrates on the top surface of corner solder joints, and the stress-strain of SnAgCuFe solder joints is lower than that of SnAgCu solder joints. Based on the fatigue life model, the addition of Fe can enhance the fatigue life of SnAgCu solder joints, therefore, the SnAgCuFe solders can replace the traditional SnPb to be used in electronic packaging.     

SnAgCu/Cu和SnAgCu/Au/Ni/Cu表面贴装元件焊点高温存贮试验分析

研究了SnAgCu／Cu及SnAgCu／Au／Ni／Cu表面贴装元件焊点在高温存贮试验条件下抗剪强度的变化规律。结果表明，SnAgCu／Cu及SnAgCu／Au／Ni／Cu焊点抗剪强度随保温时间的延长降低，SnAgCu／Cu焊点的抗剪强度高于SnAgCu／Au／Ni／Cu焊点的抗剪强度。SnAgCu／Cu及SnAgCu／Au／Ni／Cu焊点的断口形貌分析表明，断裂大多数都发生在贴装元件端头金属化层内，少数发生在钎料与焊盘的界面以及焊点内部。