CCGA焊点热循环加载条件下应力应变有限元分析

SMT焊点在热循环加载条件下的应力应变过程分析是SMTO时点可靠性研究的重要内容。SMT焊点的可靠性问题主要是焊点在热循环过程中,由于陶瓷芯片载体与基板材料之间的热膨胀失配而导致焊点的蠕变疲劳失效,以CCGA焊点为例,利用CCGA三维焊点形态预测表面节点输出结果,将焊点形态分析三维表面模型转换为焊点应力应变有限元分析三维实体模型。从而建立了CCGA焊点可靠性分析模型,采用三维有限元方法分析了CCGA焊点在热循环条件下的应力应变过程,在此基础上对CCGA焊点疲劳寿命进行了计算。     

CCGA焊点热疲劳寿命统计分析与评价优化

通过对 CCGA焊点形态参数与热疲劳寿命进行正交回归分析 ,得出了 CCGA焊点形态主要参数与热疲劳寿命之间的关系表达式。利用得到的焊点形态参数与热疲劳寿命的关系表达式 ,采用优化程序对基于焊点热可靠性的焊点形态进行了评价优化 ,得到了优化后的焊点形态参数。     

CCGA焊点热疲劳寿命统计分析与评价优化

通过对CCGA焊点形态参数与热疲劳寿命进行正交回归分析，得出了CCGA焊点形态主要参数与热疲劳寿命之间的关系表达式。利用得到的焊点形态参数与热疲劳寿命的关系表达式，采用优化程序对基于焊点热可靠性的焊点形态进行了评价优化，得到了优化后的焊点形态参数。     

电连接器激光软钎焊焊点的热疲劳寿命预测

通过建立Micro-USB电连接器有限元模型，采用Anand统一性本构方程描述焊点在循环温度载荷作用下的力学行为；借助ANSYS软件分析模拟焊点应力应变分布和变化情况；运用基于塑性应变的Coffin-Manson方程，计算激光软钎焊焊点在热循环温度作用下的热疲劳寿命。结果表明，电连接器激光软钎焊焊点在热循环作用下，最大应力应变位于中间部位的焊点与金属Pin相互接触处，其疲劳寿命最低，为1 146次，从而确定易发生失效的危险部位。该结论可为电连接器的设计、制作和测试提供理论依据。     

陶瓷球栅阵列封装热致疲劳寿命分析

建立改进的整体与局部(global/local)相结合的有限元模型,并用模型对FF1152(1152-Ball Flip-Chip Fine-Pitch BGA)中的复合焊点用有限元软件MARC进行应力应变以及塑性功累积分析,确定了最危险焊点位置;同时根据以上分析结果,采用Darveaux等人提出的塑性能量累积方程,在循环温度0～100 ℃的加速失效条件下,预测危险焊点的热疲劳寿命,所得结果与国外相关文献数据相一致.首次利用Nastran软件的优化功能和手动拟合相结合的方法确定等效焊点的等效参数,与真实焊点的比较结果显示,等效的结果总体误差为3.01%,表明改进的三维有限元模型是非常准确而有效的分析模型,并可以用来方便地分析不同类型的SMT封装.     

塑封球栅阵列焊点在温度循环下可靠性数值模拟

根据实际封装器件建立了三维有限元分析模型,模拟了PBGA焊点在温度循环载荷下的蠕变应变,比较了95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu和63Sn-37Pb两种焊料形成的焊点在温度循环下的蠕变情况,预测了焊点在温度循环下的疲劳寿命,评价了两种焊点在温度循环条件下的可靠性.结果表明,两种焊点相比较,63Sn-37Pb焊点在循环中的蠕变现象更为显著,95.5Sn-3.8Ag- 0.7Cu焊点的疲劳寿命更长,可靠性更高.     

基于AutoCAD的SMT焊点三维形态数据处理技术

针对SMT焊点形态预测模型和焊点力学性能与可靠性分析模型不统一的现象,在利用VBA技术对AutoCAD进行二次开发和对SurfaceEvolver软件预测的焊点三维形态有限元数据进行分析的基础上,对SurfaceEvolver软件预测的焊点三维形态模型到ANSYS实体模型的转换方法进行了研究。编制了模型转换程序,并以218节点PBGA焊点三维形态预测模型为例,进行了应用实例转换,得到了较为满意的转换结果。模型的成功转换,实现了焊点形态预测模型和焊点力学性能与可靠性分析模型的统一,推进了SMT焊点形态预测的实用化进程。     

基于AutoCAD的SMT焊点三维形态数据处理技术

针对SMT焊点形态预测模型和焊点力学性能与可靠性分析模型不统一的现象，在利用VBA技术对AutoCAD进行二次开发和对Surface Evolver软件预测的焊点三维形态有限元数据进行分析的基础上，对Surface Evolver软件预测的焊点三维形态模型到ANSYS实体模型的转换方法进行了研究。编制了模型转换程序，并以218节点PBGA焊点三维形态预测模型为例，进行了应用实例转换，得到了较为满意的转换结果。模型的成功转换，实现了焊点形态预测模型和焊点力学性能与可靠性分析模型的统一，推进了SMT焊点形态预测的实用化进程。     

PBGA焊点形态参数对热疲劳寿命的影响

焊点形态参数直接影响ＳＭＴ焊点的可靠性,为了建立ＰＢＧＡ焊点形态参数与热疲劳寿命的关系,利用ＢＧＡ焊点成形软件得到焊点形态,采用ＰＢＧＡ阵列数学分析与关键焊点非线性有限元分析相结合的方法得到关键焊点内的最大总应变值,利用热疲劳寿命计算公式得到焊点的热疲劳寿命。通过分析和数据处理得到ＰＢＧＡ焊点形态参数与热疲劳寿命之间的关系曲线,并总结出焊点形态参数对热疲劳寿命的影响规律及它们的关系表达式。     

PBGA无铅焊点应力应变数值模拟及寿命预测

本文对焊点材料为Sn3.8Ag0.7Cu的PBGA封装器件进行了3-维有限元数值模拟.以Aand统一粘塑性本构方程描述无铅焊点的粘塑性行为,研究了在温度循环载荷下焊点阵列等效应力和塑性应变的分布规律,找出了实体模型中最大应力和应变的焊点位置;分析了最大应变焊点的等效应力周期性变化和等效塑性应变累积的动特性曲线;基于Manson-Coffin焊点疲劳寿命模型,对关键焊点进行了寿命预测,疲劳寿命值为3.851×103循环周期.     

Parameter fitting of constitutive model and FEM analysis of solder joint thermal cycle reliability for lead-free solder Sn-3.5Ag

The experimental tests of tensile for lead-free solder Sn-3.5Ag were performed for the general work temperatures range from 11 to 90 °C and strain rate range from 5×10⁻⁵ to 2×10⁻² s⁻¹, and its stress—strain curves were compared to those of solder Sn-37Pb. The parameters in Anand model for solder Sn-3.5Ag were fitted based on experimental data and nonlinear fitting method, and its validity was checked by means of experimental data. Furthermore, the Anand model was used in the FEM analysis to evaluate solder joint thermal cycle reliability. The results show that solder Sn-3.5Ag has a better creep resistance than solder Sn-37Pb. The maximum stress is located at the upper right corner of the outmost solder joint from the symmetric center, and thermal fatigue life is predicted to be 3.796×10⁴ cycles under the calculated conditions. Foundation item: Project(50376076) supported by the National Natural Science Foundation of China     

向前兼容焊点的可靠性分析

在从有铅向无铅转换过程中,电子产品制造商不可避免会碰到同一组装过程中有铅和无铅同时存在的混合情况,这种情况下形成的混合焊点是很复杂的.因此,有必要对这种混合焊点进行可靠性分析.根据混合焊点的主要失效形式,对混合焊点的失效机理从组装工艺、热疲劳、时效、机械冲击和震动等四个方面进行分析;然后从设计、材料、工艺和环境等四个方面介绍了影响这类焊点可靠性的因素.分析结果显示,工艺对混合焊点的前期可靠性影响最大,环境对混合焊点的后期可靠性影响最大.工艺的影响主要体现在焊接工艺方面,环境的影响主要体现在温度负载方面.     

混合集成电路用Pb-Sn-Sb-Ag钎料的热疲劳

为了解决混合集成电路中环境温度变化引发的焊点可靠性问题,开发了具有高可靠性的新型钎料来满足微型化和高密度化的混合集成电路的焊接需要。对新研发的Pb-Sn-Sb-Ag四元合金钎料进行了DSC熔点测试,热电偶测试了回流焊的温度曲线,对焊点显微组织进行了相分析,并参照IPC-9701A测试方法进行了热循环实验,结果发现热循环前后钎料的显微组织和力学性能发生了明显的变化。研究表明：钎料合金液相点在245益;回流焊峰值温度为267益;显微组织中主要有Pb、Sb2 Sn3和Ag3 Sn三种相;热失配产生的剪切应力导致了微裂纹产生,温度交变使裂纹持续扩展,最终导致焊点出现了整体剥离的断裂失效模式;金属间化合物厚度和剪切强度呈现逐渐递减的近似线性关系;对比已应用的钎料,新研制的Pb-Sn-Sb-Ag钎料显微组织均匀,在-40~150益热循环条件下表现出高的可靠性。     

基于裂纹扩展的两级加载下的疲劳-蠕变寿命预测

取加载一个周期内拉应力作用下的应变能密度增量为材料的损伤变量,由迟滞回线所围面积导出了该损伤变量的计算式;依据材料被损伤会使裂纹扩展,裂纹的扩展会导致试件发生断裂的事实,以J积分为裂纹扩展的控制参量,将裂纹扩展看作纯疲劳损伤与蠕变损伤二者共同的贡献,考虑疲劳-蠕变的交互作用,导出了在两级应力加载下的疲劳-蠕变寿命的表达式;该表达式与加载的波形、材料的疲劳-蠕变速率相关.应用该表达式对316L钢在550℃两级应力梯形波加载下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,预测值在1.5倍误差因子以内,预测精度较高.     

功率循环下CSP封装结构焊点的寿命预测分析

采用非线性有限元方法，分析了CSP封装形式的焊点在给定功率循环下的应力应变．单一内变量的统一粘塑性Anand本构方程，描述了63Sn37Pb焊料的粘塑性变形行为．考虑封装体内温度梯度的存在，更加真实地模拟芯片实际发热机制，采用间接法将CSP功率循环模拟方法具体分为瞬态热分析和热应力分析两个阶段．热分析得到的温度场分布结果作为热应力分析的栽荷．通过基于以能量为基础的疲劳寿命预测公式预测焊点的失效循环数．对1／8CSP模型作寿命预测，并和简化模型作比较分析．结果表明，两者焊球温度分布和等效应力基本一致，焊球失效循环数相差不起过5％．     

GH80A镍合金电子束焊接接头旋转弯曲高周疲劳行为研究

随着镍合金电子束焊接在工业中的大量应用,尤其是在航空发动机和燃气轮机等关键长寿命服役设备中的使用,有必要对镍合金电子束焊接接头的高周疲劳属性和断裂机理进行系统的分析研究。本文利用旋转弯曲高周疲劳试验机进行疲劳试验,获得了母材和焊接接头的应力-寿命(S-N)曲线和疲劳断口,同时利用扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）对疲劳断口进行了微观特征分析,确定了母材和焊接接头在不同应力幅下的疲劳裂纹萌生区和扩展区,分析了裂纹萌生区位置与应力幅的相互关系。最后,利用有限元分析了焊接接头热影响区微裂纹位置与大小对材料疲劳性能的影响。从现有的试验和模拟结果可以得到：1)母材和电子束焊接接头应力-寿命(S-N)曲线分布趋势一致,但焊接接头疲劳强度要低于母材,在靠近107周次时,两者疲劳强度差距最小;2)在高应力幅（低周疲劳寿命阶段）母材和焊接接头的疲劳裂纹均起源于试件表面并且都是多点萌生断裂,焊接接头疲劳断口位置位于焊接熔合区或热影响区;3)在低应力幅（高周疲劳寿命阶段）疲劳裂纹在试件次表面萌生,焊接接头疲劳断口位于热影响区或焊接母材靠近热影响区处;4) 通过有限元模拟发现微裂纹的存在有利于裂纹的扩展。在拉应力作用下,横向微裂纹更优于纵向裂纹沿着应力方向进行裂纹扩展;随着微裂纹尺寸增大,微裂纹间更易于相互贯通,形成更长的裂纹,从而降低了材料的疲劳性能。综上可知,电子束焊接仅仅影响材料的疲劳强度。疲劳断裂机理和母材一致都为穿晶解理断裂,疲劳裂纹萌生区域位置也和母材一样都受应力幅的直接影响。