PBGA封装热可靠性分析

对PBGA封装体建立了有限元数值模拟分析模型。模型采用无铅焊点,完全焊点阵列形式。研究了封装体在经历IPC9701标准下的五种不同温度循环加载后,受到的热应力、应变,以及可能的失效形式。结果表明,焊点是封装体结构失效的关键环节,焊点所受应力大小与焊点位置有关。比较了不同温度循环下封装体的疲劳寿命。其结果为提高封装体的可靠性和优化设计提供了理论依据。     

PBGA封装焊点寿命影响因素的有限元分析

为明确PBGA焊点设计及环境温度参数对其可靠性影响,利用有限元软件ANSYS分析了温度循环、焊点材料、焊点高度与直径、PCB板的厚度、刚度、热膨胀系数(CTE)对焊点寿命的影响.焊点采用了Anand本构关系描述,寿命预测采用Darveaux模型.研究结果表明,温度循环的范围变大焊点寿命变短,保温时间缩短能增加焊点寿命;经过优化的焊球,寿命会增加;PCB板越厚,焊点寿命越短;PCB板的杨氏模量越大,焊点寿命越长.     

LCCC封装器件热疲劳失效分析及结构优化研究

针对LCCC封装器件在温度循环载荷下焊点开裂的问题,首先分析其失效现象和机理,并建立有限元模型,进行失效应力仿真模拟。为降低焊点由封装材料CTE不匹配引起的热应力,提出了两种印制板应力释放方案,并分析研究单孔方案中不同孔径和阵列孔方案中不同孔数量对热疲劳寿命的影响。之后,为降低对PCB布局密度的影响,提出一种新型的叠层焊柱应力缓冲方案,进行了不同叠层板厚度和焊柱间距的敏感度分析。结果表明,更大的开孔面积、更小的叠层板厚度、更密的焊柱可有效降低焊点应力,提高焊点热疲劳寿命,使得LCCC封装器件焊点热疲劳可靠性得到有效提高。     

温度与振动耦合条件下的电路板级焊点失效模式与疲劳寿命分析

基于正交试验法研究不同温度与振动耦合条件下的板级焊点失效行为与模式,采用L₉（34）混合水平正交表设计了不同温度（T）、加速度功率谱密度（PSD）与频率（V）条件下的加速寿命试验,结果表明三者对焊点可靠性影响程度为T>PSD>V,且温度是影响焊点失效模式的主要因素,随温度的升高,焊点裂纹逐渐从近封装侧的界面金属化合物（IMC）层向钎体内部扩展,焊点失效模式从脆性断裂向韧性断裂演化.基于焊点失效数据分析,发现焊点疲劳寿命对数值与PCB板背侧最大应变范围存在关联关系,并采用多项式拟合的方法建立了焊点疲劳寿命模型,拟合结果显示,该模型能较好的评估温度与振动耦合条件下的焊点寿命,预测精度较高.     

弯曲应力状况下微型BGA封装可靠性比较

文中采用传统的表面贴装技术进行焊接,研讨μBGA的PCB装配及可靠性。弯曲循环试验（1000με～-1000με）,用不同的热因数（Qη）回流,研究μBGA、PBGA和CBGA封装的焊点疲劳失效问题。确定液相线上时间,测定温度,μBGA封装的疲劳寿命首先增大,接着随加热因数的增加而下降。当Qη接近500s·℃时,出现寿命最大值。最佳Qη范围在300s·℃～750s·℃之间,此范围如果装配是在氮气氛中回流,μBGA封装的寿命大于4500个循环。采用扫描电子显微镜（SEM）,来检查μBGA和PBGA封装在所有加热因数状况下焊点的失效。每个断裂接近并平行于PCB焊盘,在μBGA封装中裂纹总是出现在焊接点与PCB焊盘连接的尖角点,接着在Ni3Sn4金属间化合物（IMC）层和焊料之间延伸。CBGA封装可靠性试验中,失效为剥离现象,发生于陶瓷基体和金属化焊盘之间的界面处。     

PCBA结构参数与振动谱型对BGA焊点疲劳寿命的影响

为获得印制电路板组件(PCBA)的板厚、芯片布局等结构参数和随机振动谱型(功率谱密度,PSD)变化对球栅阵列(BGA)封装芯片焊点振动疲劳寿命的影响,利用HYPERMESH软件建立了带BGA封装芯片的PCBA三维有限元网格模型,并采用ANSYS软件对PCBA有限元模型进行了随机振动响应分析。结果表明,随着PCB厚度增加,BGA焊点振动疲劳寿命呈现明显提升的趋势,当PCB厚度由1.2 mm增加到2.2 mm时,BGA焊点振动疲劳寿命N由45363大幅增加到557386;合理的芯片安装间距能够明显增加焊点振动疲劳寿命,特别是当芯片安装在靠近固定约束并处于两个约束对称中间位置时;当PCBA的第一阶固有频率位于随机振动谱最大幅值对应的频率区间时,BGA焊点的振动疲劳寿命会明显降低。     

弯曲应力状况下微型BGA封装可靠性比较研究

微型球栅阵列（μBGA）是芯片规模封装（CSP）的一种形式,已发展成为最先进的表面贴装器件之一。在最新的IxBGA类型中使用低共晶锡．铅焊料球,而不是电镀镍金凸点。采用传统的表面贴装技术进行焊接,研讨μBGA的PCB装配及可靠性。弯曲循环试验（1000～1000με）,用不同的热因数（Qη）回流,研究μBGA、PBGA和CBGA封装的焊点疲劳失效问题。确定液相线上时间,测定温度,μBGA封装的疲劳寿命首先增大,接着随加热因数的增加而下降。当Q。接近500S·℃时,出现寿命最大值。最佳Qη范围在300-750s·℃之间,此范围如果装配是在氮气氛中回流,μBGA封装的寿命大于4500个循环。采用扫描电子显微镜（SEM）,来检查μBGA和PBGA封装在所有加热N数状况下焊点的失效。每个断裂接近并平行于PCB焊盘,在μBGA封装中裂纹总是出现在焊接点与PCB焊盘连接的尖角点,接着在Ni3Sn4金属间化合物（IMC）层和焊料之间延伸。CBGA封装可靠性试验中,失效为剥离现象,发生于陶瓷基体和金属化焊盘之间的界面处。     

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)。     

CSP封装Sn-3.5Ag焊点的热疲劳寿命预测

对芯片尺寸封装(CSP)中Sn-3.5Ag无铅焊点在热循环加速载荷下的热疲劳寿命进行了预测.首先利用ANSYS软件建立CSP封装的三维有限元对称模型,运用Anand本构模型描述Sn-3.5Ag无铅焊点的粘塑性材料特性;通过有限元模拟的方法分析了封装结构在热循环载荷下的变形及焊点的应力应变行为,并结合Darveaux疲劳寿命模型预测了无铅焊点的热疲劳寿命.     

CSP封装Sn-3.5Ag焊点的热疲劳寿命预测

对芯片尺寸封装(CSP)中Sn-3.5Ag无铅焊点在热循环加速载荷下的热疲劳寿命进行了预测.首先利用ANSYS软件建立CSP封装的三维有限元对称模型,运用Anand本构模型描述Sn-3.5Ag无铅焊点的粘塑性材料特性;通过有限元模拟的方法分析了封装结构在热循环载荷下的变形及焊点的应力应变行为,并结合Darveaux疲劳寿命模型预测了无铅焊点的热疲劳寿命.     

小尺寸CQFP结构的热疲劳寿命仿真分析

采用有限元分析软件,以小尺寸陶瓷四边引线扁平封装（CQFP）结构为研究对象,对其在温度循环试验中应力应变分布进行了仿真分析。分析了引线成型角度和成型次数两种参数对焊点的影响,进而对CQFP结构在温度循环载荷作用下的疲劳寿命进行了计算。结果表明,对引线进行二次成型或者减小引线成型角度可以提高焊点的热疲劳寿命。     

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。     

苛刻环境下多芯片FC-PBGA器件板级温循可靠性研究

研究了宇航用多芯片扁出型倒装芯片球栅（FC-PBGA）器件在温度循环下的板级可靠性。通过宏观形貌观察、微观结构演变等手段对温循后的器件进行了分析,并利用有限元仿真对器件的疲劳寿命进行了评估。研究结果表明,经温度循环后FC-PBGA器件表面三防漆出现起皮现象,但封装组件未出现失效故障。器件中倒装芯片的布局对温度循环后危险焊点的位置具有显著的影响。危险焊点在温度循环后产生了明显的塑性变形,在靠近芯片端的界面处形成了显微裂纹。通过有限元仿真结合修正的Coffin-Manson方程计算得到了组件的温度循环疲劳寿命约为1 002次,具有较好的可靠性,为塑封器件的高可靠性应用提供了参考。     

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。     

Pb90Sn10焊点硅基器件与PCB板组装的温循可靠性研究

采用有限元仿真和实验两者相结合的方法,对-40～70℃使用环境下的Pb₉₀Sn₁₀焊点硅基器件与PCB板组装的组件,选择-55～85℃温度循环条件进行可靠性分析和研究。Anand模型仿真分析焊点在温循下应力应变行为,提取模型焊点在最后一个温度循环结束时的等效塑性应变分布并进行分析,确定最易发生热疲劳失效的关键焊点和关键位置。基于Coffin-Manson方程对热循环条件下焊点的服役寿命和失效模式进行预测。仿真结果表明焊点失效机理为热疲劳失效,失效模式为焊点开裂,失效循环周期为3 984 cycles。实验表明：温度循环500次,未出现焊点裂纹、空洞等缺陷;温度循环2 000次后焊点形貌由球形变为椭球形,焊点未出现明显缺陷。     

PBGA无铅焊点热可靠性优化研究

在田口实验法的基础上,采用非线性有限元建模,对温度循环载荷作用下的PBGA无铅焊点进行可靠性优化研究。L18(21×37)田口正交表被选用来分析PBGA封装体的8个控制因子,包括PCB的尺寸和厚度、基板的尺寸和厚度、焊点的直径和高度、芯片以及塑封的厚度。通过田口实验法,得出了关于PBGA最佳的结构参数组合,其中最重要的控制因子为基板厚度和焊点高度,最佳参数分别为0.66mm和0.60mm。     

小节距CQFN外壳设计与加工工艺研究

基于高温共烧陶瓷（HTCC）技术,研制出0.4 mm节距的陶瓷四边无引线扁平外壳（CQFN）。采用有限元分析软件对外壳的结构可靠性进行仿真优化,优化结果表明外壳受到的应力小于陶瓷的抗弯强度;利用电磁仿真软件对外壳的高频传输性能进行仿真优化,通过优化侧面空心金属化过孔结构、空心过孔与接地共面波导的过渡结构等,实现整体传输路径50Ω阻抗匹配。利用矢量网络分析仪和探针台对制作的外壳进行了高频传输性能的测试,测试结果表明,在DC～26 GHz频段内,外壳射频端回波损耗小于15 dB,插入损耗小于0.5 dB。设计的外壳结构和射频端口传输模型可以有效地应用到其他高频CQFN封装外壳设计中。     

基于热疲劳状态监测的PCB无铅焊点可靠性研究

以PCB片式电阻器件无铅焊点为研究对象,开展与有铅焊点剪切力-热疲劳状态比较试验研究。采用了伪失效寿命比较方法,获得了有限周期温度冲击下的焊点剪切力试验数据,采用非线性最小二乘法进行剪切力数据的曲线拟合。结果表明,封装尺寸是影响焊点热疲劳性能的重要因素。在1 500个有限周期内,无铅焊点的热疲劳性能优于有铅焊点。     

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。     

热循环下集成电路板疲劳寿命预测

利用SOLIDWORKS和ANSYS软件对装有典型封装电子元件的集成电路板进行三维建模和有限元仿真,并采用Anand粘塑模型来描述焊点的力学行为。结果表明：在-55～125℃交变热循环载荷下,位于集成电路板右下方的LVC244A电子元件上的焊点等效塑性应变最大,电路板发生显著变形。同时,利用Manson-Coffin塑性变形模型和Darveaux能量模型计算SAC305和63Sn37Pb两种焊点的热疲劳寿命,通过比对计算结果发现SAC305焊点的热疲劳寿命要远高于63Sn37Pb焊点。证明了无铅焊料SAC305可以应用到电子封装产品当中,为无铅焊料和集成电路板可靠性的研究提高了参考。