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。     

焊点形态对表面贴装元件无铅焊点可靠性的影响

表面组装焊点的几何形态是影响焊点可靠性的重要因素之一.本文采用有限元方法,重点讨论了润湿角对低银Sn2.5Ag0.7CuRE焊点的应力应变分布和热疲劳寿命的影响,并与Sn37Pb和Sn3.8Ag0.7Cu钎料焊点的热疲劳寿命进行了对比分析.研究表明,片式元件的理想接头形态为微凹形;在此形态下,与Sn37Pb和Sn3.8Ag0.7Cu钎料焊点相比,低银Sn-2.5Ag-0.7CuRE钎料的表面贴装元件焊点具有更高的热疲劳寿命.这一结果对于焊点的优化设计及新型无铅钎料的研制具有一定的指导意义.     

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.     

大功率高可靠电子封装研究发展趋势

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.     

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.     

3D封装微尺度CSP焊点随机振动应力应变分析

基于ANSYS软件建立了3D芯片尺寸封装有限元模型,对模型中微尺度CSP焊点在随机振动载荷条件下进行有限元分析,获得了CSP焊点应力应变分布情况;分析了不同焊点材料、焊盘直径和焊点体积对应力应变的影响;并以焊点体积、焊点高度、焊盘直径为设计参数,以随机振动条件下CSP焊点应力值作为目标值,设计17组试验仿真计算,采用响应曲面法对17组应力值与微尺度CSP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.结果表明,随机振动环境下应力值最小的CSP焊点组合参数为焊点最大径向尺寸0.093 mm、焊点高度0.077 mm、焊盘半径0.068 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,实现了随机振动环境下微尺度CSP焊点的结构优化.     

板级封装焊点中热疲劳裂纹的萌生及扩展过程

采用试验观测和数值模拟相结合的方法研究表面贴装板级封装焊点在热疲劳过程中的裂纹萌生及扩展规律。结果表明,在热疲劳过程中,焊点上存在着3个典型的热疲劳裂纹萌生位置,其中器件与钎料的交角附近区域最容易发生裂纹萌生。这与数值模拟分析得到的焊点在热疲劳过程中所产生的非弹性应变分布规律基本一致。无铅钎料焊点相对于锡铅钎料焊点具有相对较长的热疲劳寿命;焊盘尺寸较小时,热疲劳裂纹扩展速度相对较大。这与焊点中的等效非弹性应变数值具有较好的一致性。     

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.     

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.     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性-寿命预测

采用有限元模拟法分析在-55~125℃热冲击过程中倒装微焊点的失效情况,结合模拟及试验数据,根据以能量为基础的Darveaux寿命模型预测关键焊点的疲劳寿命. 结果表明,组装体边角焊点最易失效,裂纹形成在芯片侧焊盘附近的焊料基体中,由焊点的外侧向内侧扩展;根据裂纹平均生长速率和微焊点累积塑性应变能密度,计算获得微焊点Darveaux寿命模型参数K₁,K₂,K₃及K₄分别为1 648.96,-0.234 9,0.004 79及-0.700 4,边角微焊点的疲劳寿命为6171次循环.     

Finite element simulation for mechanical response of surface mounted solder joints under different temperature cycling

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓｉｓｃｒｉｔｉｃａｌｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｓｓｅｍｂｌｙｓｉｎｃｅｔｈｅｙｐｒｏｖｉｄｅｂｏｔｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃ ｔｒｉｃａｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ,ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｙ ｃｌｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ .Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｙｃｌｉｎｇｔｅｓｔｓ…     

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…     

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.     

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…     

CBGA结构热循环条件下无铅焊点的显微组织和断裂

用热循环实验、扫描电镜观察焊点横截面和有限元模拟的方法研究了陶瓷球栅阵列封装（CBGA）结构中无铅焊点的组织和热疲劳行为．CBGA结构中,在焊料与铜焊盘和银焊盘的界面处分别形成了Cu6Sn5和Ag3Sn．在热循环过程中,铜焊盘处Cu6Sn5层增厚,并出现Cu3Sn;镀银陶瓷芯片一侧,Ag3Sn层也增厚,焊球中靠近界面处Ag3Sn的形态从条状向球状过渡．增加热循环周次,疲劳裂纹最先出现在芯片与焊球界面处焊球的边角位置上,有限元模拟表明此处具有最大的剪切应力．在印刷线路板处,裂纹沿Cu6Sn5和焊料的界面扩展;在陶瓷芯片处,裂纹沿Ag3Sn界面层附近的焊球内部扩展．     

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。     

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.     

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.     

考虑IMC影响的PBGA无铅焊点温度循环有限元数值模拟

采用ANSYS统一Anand粘塑性本构方程描述SnAgCu焊点非弹性形变.对考虑IMC的PBGA焊点与不考虑IMC的PBGA焊点在温度循环载荷作用下的应力应变响应进行分析比较.结果表明,远离中心位置的外侧焊点承受更大的应力应变;在温度循环加载过程中IMC层积累了较大的应力;由于IMC层的硬脆性材料特性,应力不会通过塑性形变释放,使焊料在高应力IMC界面发生较大的塑性形变;IMC焊点高应力集中区的应力应变迟滞回线所代表的应变能高于不考虑IMC的焊点,导致其热疲劳寿命远低于不考虑IMC的焊点,与实际温度循环试验结果更为接近.