基于正交试验设计的塑封球栅阵列器件焊点工艺参数与可靠性关系研究

基于正交试验设计法对塑封球栅阵列(PBGA)器件焊点工艺参数与可靠性关系进行了研究.采用混合水平正交表L₁₈(2×3⁷)设计了18种不同工艺参数组合的PBGA测试样件,进行了546小时、最大循环周数2140周的PBGA测试样件可靠性加速热循环试验.基于试验结果进行了极差分析和方差分析;研究了PBGA测试样件寿命的威布尔分布;采用有限元分析方法对热循环加载条件下PBGA焊点内应力应变分布进行了研究.试验结果表明失效焊点裂纹出现于焊点与芯片基板的交界面上.研究结果表明:样件规格对PBGA焊点可靠性有高度显著影响,芯片配重对PBGA焊点可靠性有显著的影响,焊盘直径和钢网厚度对PBGA焊点可靠性无显著影响;最优工艺参数组合为:S2D2G2M1和S2D2G2M2.有限元分析表明在热循环加载条件下PBGA器件内应力最大区域位于焊点与芯片基板的接触面上,裂纹首先在焊点与芯片基板的接触面处产生,有限元分析结果与试验结果相吻合.     

PBGA组件振动疲劳寿命的实验研究

为了得到在基频激励下PBGA封装的可靠度特性,设计制作了一块包含不同结构和材料参数的PBGA组件样品,利用可靠性实验的方法测试了PBGA组件在正弦单频激励条件下的疲劳特性,同时运用Manson-Coffin方程经验公式及雨流计数法得到了相对应的焊点疲劳寿命.最后利用疲劳统计中威布尔分布得到了当PBGA芯片位于PCB不同位置、不同激励时可靠度-循环失效圈数曲线(R-N曲线).结果表明,大直径焊点芯片、分布在约束较多PCB上的芯片、无铅焊点芯片的焊点可靠度较高.     

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。     

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。     

冲击载荷下航天用PBGA焊点的优化设计

从动力学角度考虑PBGA焊点承受不同加速度情况下冲击载荷的情况,对PBGA焊点尺寸建立了正交设计表。运用有限元分析技术对该表中各种因素和水平分别进行有限元分析,运用数理统计对正交结果进行分析,在现有尺寸结构上提出了最优化设计。对各种因素进行了显著性分析及比较,得出在动力载荷下,焊点直径、高度等参数对焊点可靠性的影响比焊点位置参数对焊点可靠性的影响要低得多。在动力载荷下,焊点位置、形状变为可靠性设计的主要考虑因素。并通过扩大参数取值范围得到二次正交设计表验证了其正确性。     

PBGA焊接开裂失效原因分析及改善

由于PBGA组件点位于四件与PCB之间,焊点的检查和检修成本很高,控制PCB组件焊接失效显得尤为重要。文章通过对焊接失效的焊盘镍层、金层结构进行了SEM、X-RAY分析导致焊接失效产生的主要原因,并针对此现象进行控制与改善。     

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.     

堆叠结构BGA焊接可靠性评价方法

设计了基于实时监测菊花链拓扑结构动态电阻的叠层球栅阵列封装(BGA)焊接可靠性评价方法,使用该方法研究叠层器件BGA焊接互连结构的环境可靠性.以基于硅通孔(TSV)技术的BGA互连的硅基双层器件为例,首先通过有限元仿真确定叠层器件各层焊点在-55～125℃条件下的应变和应力,并根据应变和应力将每一叠层焊点划分为敏感焊点和可靠焊点;然后将敏感焊点通过器件键合焊盘、键合丝、TSV、垂直过孔、可靠焊点和PCB布线相连接形成菊花链.由于敏感焊点是菊花链的薄弱环节,可以通过监测菊花链电阻变化来研究叠层器件的环境可靠性,并以此为基础设计了堆叠结构BGA产品焊接可靠性试验系统.该方法简单高效,能快速解决常规失效分析方法无法检测的BGA虚焊接、微小缺陷等问题.     

基于热-结构耦合的3D-TSV互连结构的应力应变分析

建立了3D-TSV(硅通孔)互连结构三维有限元分析模型,对该模型进行了热-结构耦合条件下的应力应变有限元分析,研究了TSV高度和直径对3D-TSV互连结构温度场分布及应力应变的影响。结果表明:随着TSV高度和直径的增大,3D-TSV叠层芯片封装整体、焊球、间隔层、芯片和TSV及微凸点处的最高温度均逐渐降低,TSV高度和直径的增加在一定程度上有利于降低封装体各部分最高温度;随着TSV高度的增加,TSV及微凸点互连结构内的应力应变呈增大趋势。     

热循环条件下空洞对PBGA焊点热疲劳寿命的影响

球栅阵列(ball grid array, BGA)封装器件的广泛应用使空洞对焊点可靠性的影响成为业界关注的焦点之一.采用非线性有限元分析方法和统一型粘塑性本构方程,以PBGA组装焊点为对象,建立了互连焊点热应变损伤的三维有限元模型,并基于修正的Coffin-Manson方程,分析了在热循环加裁条件下不同位置和大小的空洞对焊点疲劳寿命的影响.研究结果显示,位于原应力集中区的空洞将降低焊点疲劳寿命,基于应变失效机理,焊点裂纹易在该类空洞周围萌生和扩展;位于焊球中心和远离原应力集中区的空洞,在一定程度上可提高焊点的疲劳寿命.