塑封球栅阵列焊点热疲劳寿命预测有限元方法

选取典型的塑封球栅阵列封装器件,将其建模为由封装外壳、硅芯片和基板组成的三层结构,采用粘塑性材料模式描述锡铅钎料的力学本构关系,建立器件的三维有限元模型,通过有限元仿真得到焊点的应力应变分布云图、应力应变回线及关键焊点的应变范围,最后根据基于应变的Engelmaier疲劳模型预测塑封球栅阵列焊点的寿命.结果表明,在热循环条件下,塑封球栅阵列封装器件的关键焊点的位置位于器件芯片边缘的正下方,并不位于最边缘的焊点处,为改进塑封球栅阵列焊点的热疲劳可靠性提供了依据.     

面阵列封装互连结构热循环翘曲变形抗力

借助有限元软件对钎料球、钎料柱和铜柱阵列互连结构热循环载荷下的翘曲变形行为进行研究. 结果表明，三者升温过程均表现为刚度低的树脂基板呈下凹变形、而降温至0 ℃后呈现上凸变形，变形规律相同. 不同温度下两端基板的热膨胀系数差异引发的基板内及相连焊球/焊柱内的应力及力矩是翘曲变形发生的驱动力. 两焊柱阵列互连的基板翘曲位移接近，但均明显低于焊球阵列的基板，翘曲变形抗力更大. –40~125 ℃热循环温度范围及基板尺寸条件下，铜柱未屈服，相对钎料柱阵列互连，未表现铜柱可挠曲变形释放应力的优势.     

热循环条件下高密度互连点的应力应变分析

采用多线性随动强化材料模型和粘塑性材料模型,模拟填充胶和无铅钎料的材料性质,建立高密度倒装芯片封装的有限元模型;基于热循环条件下封装体中互连点的应力应变分析,探讨其可靠性,通过试验对分析结果进行验证。结果表明,封装体中边角焊点承受最高的等效应力,为最易失效焊点;以最易失效焊点为代表,最大塑性剪切应变分布在该焊点的芯片侧,呈现出由外侧向内侧减小的分布特征,表明裂纹倾向于在外侧形成,向内侧扩展,试验结果验证了这一分析。此外,文中通过对塑性应变演变规律的分析,探讨了互连点的失效机理。     

极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测

深空探测的环境多为极低温大温变环境,研究电子器件在此极限条件下的可靠性具有重要意义. 采用多线性等向强化(MISO)本构模型描述Sn63Pb37和Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)焊料的力学本构行为,分析陶瓷球栅阵列(ceramic ball grid array,CBGA)焊点阵列在极限温度(-180～+150℃)热冲击载荷下的应力应变分布情况,最后根据基于能量的Darveaux疲劳模型预测CBGA焊点的热冲击疲劳寿命. 结果表明,局部热失配导致应力最大点出现在边角焊点陶瓷载体一侧的焊盘与钎料界面,极限温度热冲击载荷下焊点的疲劳寿命远低于标准温度循环载荷下的疲劳寿命.     

热、振及热振耦合条件下塑封球栅阵列含铅焊点失效分析

对塑封球栅阵列封装器件进行了热循环、随机振动以及热振耦合试验,在3种试验条件下测试Sn37Pb焊点的寿命,并对3种载荷条件下失效焊点位置的分布规律以及焊点的失效模式进行对比分析. 结果表明,塑封球栅阵列封装焊点在热振耦合试验中的寿命明显小于热循环以及随机振动试验的寿命结果. 热循环、随机振动条件下越靠近测试板中心位置,器件的焊点越容易发生破坏,而热振耦合试验中不同位置上器件的失效焊点数比较接近. 此外,热循环条件下破坏模式主要表现为钎料内部的韧性断裂,随机振动条件下主要为界面金属间化合物层内的脆性断裂,而热振耦合条件下这两种破坏模式均有发生.     

BGA封装器件焊点抗剪强度的试验

采用微焊点强度测试仪研究了Sn-Pb共晶钎料BGA（球栅阵列封装技术）封装器件焊点的抗剪强度，并对不同直径的BGA球焊点的抗剪强度进行了比较。研究结果表明，在相同条件下，BGA球直径越大，抗剪强度越小，共晶钎料BGA球焊点的抗剪强度比锡铅合金钎糕点自身的抗剪强度大。     

WLCSP器件结构优化模拟及无铅焊点可靠性

构建WLCSP144器件四分之一模型,研究无铅焊点阵列的应力-应变响应.结果表明,焊点应力-应变大小和焊点的位置有密切关系,中心焊点的应力-应变最小,拐角焊点的应力-应变最大,应力和焊点位置的关系为σ(x,y)=1.78x+1.78y+0.33,焊点蠕变应变和焊点位置的关系为ε(x,y)=0.006x+0.006y+0.009.同时发现焊点可靠性与器件结构有明显关系,在结构中选择聚合物作为封装材料对应的焊点可靠性较低,应该选择与PCB线膨胀系数较为匹配的材料最为适宜.焊点阵列数(焊点间距相同)的增加会降低焊点的可靠性,这主要是和阵列拐角焊点与芯片中心的距离有明显的关系.     

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.     

通孔元件焊点的抗热疲劳性能预测Ⅱ.焊点内部力学响应特征的数值模拟

通过建立可靠性分析的力学模型，对温度循环载荷下通孔焊点内部应力应变场的分布特征进行了有限元数值模拟，结果表明，焊接方式的不同造成焊点形态的差异，进而应力应变的分布也不同；再流焊点的应力应变集中在钎料体及镀铜管处，而波峰焊点中线路板与镀铜层接触的拐角处是高应力集中区，这些位置容易引起裂纹产生和扩展．在热载荷过程中，应力-应变场的等值分布呈现出与温度历史相关的动态特性。     

航天电子产品CCGA加固工艺可靠性分析

航天电子产品大量应用陶瓷柱栅阵列封装(ceramic column grid array, CCGA)器件,其装焊质量与器件本体尺寸和加固工艺息息相关.文中通过试验和数值仿真方法,研究印制电路板(primted circurt board, PCB)约束、器件加固工艺对大尺寸CCGA焊点可靠性的影响. 仿真与试验结果表明,优化CCGA周围印制电路板约束方式、使用EC-2216环氧胶加固CCGA均可大幅降低随机振动过程中焊点受力. 使用少量环氧胶加固CCGA提高焊点抗振性能的同时,对焊点抗热疲劳性能影响较小,满足QJ 3086A—2016高可靠装焊要求;随着环氧胶点胶量的增多,焊点抗热疲劳性能显著下降,焊点在温差变化较大的服役环境下存在失效风险;在充分优化PCB约束以降低板级振动响应的情况下,使用GD414硅橡胶加固器件也满足航天电子产品高可靠装配要求.     

温度循环对CCGA焊柱可靠性影响

陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装因其优良的电热性能和高密度的信号互连,成为高可靠封装形式的首选,但由于封装形式及材料本身特性,在温度循环过程中的焊点开裂失效是需要重点关注的.文中以CCGA484为例,研究在-65～150℃温度循环条件下,CCGA焊柱形貌、焊点显微组织及抗剪强度的变化.结果表明,在温度循环过程中,板级组装后...     

铜柱栅阵列互连结构的剪切行为

鉴于柔性铜柱与钎料球显著的性能差异,采用试验和数值模拟方法研究了铜柱栅阵列互连结构的剪切行为.结果表明,与焊球抛物线形的剪切曲线相比,阵列铜柱互连剪切曲线呈现不同的新特征,随剪切位移增加,剪切力首先呈大斜率的线性增加;随后由于焊柱开始挠曲变形,位移增加引起的应力增加被部分释放,故剪切力呈小斜率的线性增加;最后阶段,与BGA焊球相同,剪切力呈抛物线形变化,并在钎料/铜柱界面拉脱断裂.第一、二阶段曲线斜率均随铜柱长径比的增加和铜焊柱刚度的降低而减小.     

CBGA器件温度场分布对焊点疲劳寿命影响的有限元分析

陶瓷封装器件的可靠性一直是电子封装领域关注的热点,目前有限元模拟方法在分析焊点疲劳寿命时大多采用了均一温度假设条件,而陶瓷封装器件由于自身材料性质,在热循环载荷下其内部温度场并不均匀.文中在传统经典理论的基础上利用ANSYS有限元软件采用六面体网格划分技术对16×16阵列的陶瓷球栅阵列（ceramic ball grid array,CBGA）封装模型在热循环载荷下的可靠性进行了仿真分析.考虑了热循环加载过程中CBGA器件内部的温度场分布,使用热力耦合模型讨论了均一温度假设在不同条件下的合理性.结果表明,考虑温度场分布的情况下预测的疲劳寿命要低于均一温度假设条件,为温度均一假设适用条件提供了判断依据.     

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.     

埋入式基板微尺度球栅阵列焊点三点弯曲应力应变分析

建立了埋入式基板微尺度球栅阵列焊点三点弯曲应力应变有限元分析模型,分析了焊点材料、焊点间距、PCB支撑跨度及焊点阵列对焊点弯曲应力应变的影响,结果表明,三点弯曲加载条件下,埋入式基板微尺度BGA焊点阵列的最大弯曲应力应变均出现在最外围拐角处焊点上.当三点弯曲加载到相同位移载荷下,SAC387材料焊点的弯曲应力最大,62Sn36Pb2Ag材料焊点的弯曲应力最小;随着支撑跨度的增大,焊点内最大弯曲应力应变均随之减小;随着BGA焊点间距的增大,焊点内部最大弯曲应力应变值均增大;随着BGA焊点阵列数的增大,焊点内部最大应力应变值均增大.     

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.     

Study on the behavior characteristics of solder balls for FCBGA package

Warpage issues are of concern for flip chip Ball Grid Array (FCBGA) package reliability on thin substrates. Despite advantages in electrical performance of thin substrates, FCBGA warpage hampers reliability of the solder balls making up the ball grid array. Warpage and plastic strain of both the FCBGA package and solder balls are calculated under assembly conditions. Temperature dependent material properties were investigated using finite element analysis. FEM calculations of thermal deformation and equivalent plastic strain of solder balls considered to determine overall reliability of the solder balls. Solder ball plastic strain decreased with substrate core thickness. This can explain why solder ball reliability decreases with substrate thickness. Substrate surface warpage fluctuated significantly as core thickness decreased due to reduced stiffness. In addition, it is possible that solder balls and surface mounted components can be affected by surface fluctuations. Although thinner substrates have advantages in terms of electrical performance, high warpage is a critical root cause of package failure. Despite these tradeoffs, developing thinner substrates while avoiding warpage is a forefront issue.     

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.