塑料封装球栅阵列器件焊点的可靠性

对比了充胶和未充胶塑料封装球栅阵列(PBGA)器件在-40 ℃～125 ℃温度循环条件下的热疲劳寿命,采用光学显微镜研究了失效样品焊点的失效机制,并分析了充胶提高器件热疲劳寿命的机制.实验发现底充胶可使PBGA样品的寿命从500周提高到2000周以上,失效样品裂纹最先萌生于最外侧焊球中近硅芯片界面外边缘处,界面处焊料组织粗化及界面脆性金属间化合物Ni3Sn2和NiSn3相的生成均促使裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展.PBGA焊点界面处裂纹的萌生和扩展是该处应力应变集中、焊料组织粗化以及生成脆性金属间化合物等各种金属学和力学因素共同作用的结果.     

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.     

热循环条件下温度效应对PBGA焊点可靠性的影响

基于有限单元法研究PBGA封装无铅SAC405焊点在-55~125℃热循环中的可靠性,探讨了温度效应对其应力应变分布的影响,分析了焊点裂纹的成长情况。结果表明:温度效应对PBGA封装的应力、应变分布具有一定影响;焊点的等效应力最大值位于焊点的上表面,关键焊点是对应于芯片距离对称中心最远处的焊点;裂纹形成在基板侧,沿着焊盘由焊点的外侧向内侧扩展。试验结果与模拟结果一致,验证了模拟结果的正确性。     

回流焊冷却过程中LTCC基板的热力分析

建立了某航天电子产品焊接组件冷却过程的有限元热分析模型,研究了硅铝管壳与铅锡焊料的热物理参数随温度变化的规律.以降低低温共烧陶瓷(LTCC)基板第一主应力为优化目标,采用正交试验法得到了优化的冷却工艺参数,在该工艺参数下对回流焊冷却过程进行了仿真和试验研究.结果 表明,LTCC基板的整体变形表现为自基板底部向管壳内部凸...     

Sn-Ag3.0-Cu0.5/Cu金属间化合物生长行为及其对PBGA焊点热疲劳可靠性的影响

利用SMT全自动回流焊机和高温恒温试验箱,制备出经2次回流焊且不同时效处理时间的Sn-Ag3.0-Cu0.5/Cu焊点试件,对其金属间化合物（IMC）的厚度进行测量,发现其厚度的增长与时效时间的平方根近似成线性关系。采用统一粘塑性Anand本构模型来描述焊点的力学性能,运用有限元计算软件ANSYS对PBGA构件进行热循环模拟,对其在不同IMC厚度下的应力和应变响应进行分析。结果表明,芯片右下方焊点右上角热循环结束后累积的等效塑性应变最大,是整个PBGA构件的关键焊点;随着IMC厚度的增加,关键焊点热循环过程中的等效应力水平不断降低,相应剪切塑性应变范围Δγ不断增大,热疲劳寿命Nf则不断降低;升温和高温保温过程中剪切塑性应变的增加量构成了剪切塑性应变范围Δγ,且不同IMC厚度下升温段剪切塑性应变增加量占Δγ的比例基本维持在95%左右     

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.     

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.     

基于热模拟法的轧辊用钢Cr5的焊接性研究

Cr5钢轧辊的广泛使用为与之相对应的局部堆焊修复工艺的研究提出了新的要求.应用Gleeble-1500D焊接热模拟试验机对轧辊用钢Cr5进行热模拟试验.通过对Cr5钢在不同焊接热循环过程中体积变化的研究,绘制了试样的轴向膨胀一温度(△L-T)曲线.利用该曲线研究了预热温度、冷却速度等因素对Cr5焊接性(主要是焊接裂纹)的影响规律及机理,同时对试样的显微组织进行了分析.研究表明,试样标距的残余收缩量△LR和最大收缩△Lmax随预热温度的降低而增大,裂纹倾向增大;从△Lmax到△LR的体积膨胀过程的速率K表明了在冷却最后阶段材料的淬硬倾向,K越大表明淬硬倾向越大,对于所研究的Cr5材料.延长300℃～100℃之间的冷却时间对减小K值,改善组织,降低应力,从而降低裂纹倾向具有很大的实用意义.     

热冲击条件下倒装焊点失效的有限元模拟

PBGA封装体由数种热膨胀系数不同的材料组成,在热循环过程中易由于封装材料间的热失配导致倒装焊点失效。建立了PBGA封装体的二维模型,利用ANSYS有限元模拟软件对-55～125℃热冲击条件下PBGA倒装焊点的应力、应变及累积塑性应变能进行了分析。结果表明:热冲击结束后,在边角焊点与PBC板、FR-4板界面的应力应变及累积塑性应变能最大。边角焊点为最易失效的焊点。     

预置横向挤压载荷法防止铝合金薄板焊接热裂纹

提出采用横向预置挤压载荷进行随焊同步防止铝合金薄板焊接热裂纹的新方法.对处于脆性温度区间的焊缝金属施加一适当的横向挤压载荷,可以减小焊缝金属凝固收缩时产生的横向拉伸应力和应变,使其总应变被限制在最低延性值范围内,改变了热裂纹产生的力学条件.建立横向预置压应力模型、采用弹塑性有限元方法阐明横向预置应力法防止热裂纹的原理,在自制的装置上对常规焊和横向预置压应力工艺条件下焊接试件裂纹率进行比较分析.鱼骨状裂纹试验结果表明:在加载宽度一定时,随着预置载荷的增加,在焊缝处产生的挤压应力也随之增加,裂纹率和裂纹长度逐渐降低,当横向预置压应力达到一定数值(0.3σ0.2)后,能够完全防止焊接热裂纹的产生.     

钎料球激光重熔温度场数值模拟

对PBGA封装制造时钎料球的激光重熔过程中的温度场分布进行了数值模拟，考察了多点和扫描两种激光加热方式对温度场的影响，计算结果表明，与红外、热风等传统重熔方法相比，激光重溶具有加热时间短、封装内部温升低的特点，不会对内部芯片及连接造成损害，同时，本文还对PBGA钎料球激光重熔进行了试验研究。试验结果表明，在合适的规范下，重熔后形成的钎料凸点表面质量也优于前者。     

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。     

Sn-Bi-Ag-Cu钎料波峰焊焊点的剥离现象

采用在波峰焊过程中常用的Sn-Bi-Ag-Cu无铅钎料,进行了通孔波峰焊焊点剥离现象模拟实验.剥离的断面形貌和成分分析表明,凝固延后及铋元素偏析导致焊盘拐角附近的钎料区在结晶后期残存液相,并最终成为缩孔的聚集区,结晶后期该区的低塑性使收缩应变容易超过材料的塑性极限而发生开裂.开裂机制与结晶裂纹机制相似.强偏析元素铋的存在导致剥离概率急剧提高,铋元素含量增加,剥离的趋势增加.铅污染也使剥离的概率显著增加.冷却速度增加,剥离趋势减小.大的冷却速度能够抑制偏析,却不能完全抑制剥离,且会导致钎焊圆角表面裂纹增加.避免铅污染、降低铋的含量并控制冷却速度可抑制剥离.     

Simulation of shape and temperature field evolution of solder joints during reflow solidification process

Abstract

A large proportion of research on soldered joints focuses on the effects of stress on the service life of a solder joint. However, the shape of a joint also has a great effect on its service life. During the reflow process, the solder joint experiences heating, melting, cooling and then solidification. Conventionally, the shape of a solder joint is often predicted using the energy method after the reflow process. This, however, does not consider the evolution of the solder alloy during reflow. In this study, a computer aided analytical system is developed based on computational heat transfer and fluid dynamics techniques to simulate the shape evolution of solder joints during reflow. Experimental observations of the shape evolution of the joint during reflow were also conducted. The simulation results obtained for a solder ball 760 μm in diameter on a rectangular pad were found to be consistent with the experimental observations.     

Sn-Cu-Ni-Ce钎料对激光钎焊焊点力学性能的影响

采用Sn-Cu-Ni-Ce无铅钎料,研究了半导体激光软钎焊和红外再流焊方法对QFP48器件和0805矩形片状元件两种典型元器件的钎焊性能,针对使用不同成分钎料所得到的钎焊焊点,采用微焊点强度测试仪研究了其焊点力学性能的分布规律.结果表明,使用Sn-Cu-Ni-Ce钎料时,最佳激光输出电流显著高于Sn-Ag-Cu钎料或Sn-Pb钎料.Sn-Cu-Ni-Ce钎料成分相同时,半导体激光软钎焊得到的焊点力学性能显著优于红外再流焊焊点的力学性能;稀土元素Ce的加入能够改善Sn-Cu-Ni无铅钎料焊点的力学性能,Ce含量达到0.03%时,焊点的力学性能最佳.     

用有限元法对铸件铸造缺陷的预测

以有限元法为理论基础,ANSYS软件为平台,建立铸件凝固过程的数学模型,对铸造凝固过程进行了温度场、温度梯度场和应力应变场的数值模拟。模拟时考虑相变中结晶潜热、材料随温度变化的非线性因素。得到了铸件在凝固过程的各种瞬态场的分布和变化规律。预测出了铸件可能出现缩孔、缩松等铸造缺陷的位置;同时探讨了判断热裂纹的方法。结果表明,模拟预测与生产验证结果基本一致。     

Optimal Design of Co/In/Cu Sputtering Target Assembly Using Finite Element Method and Taguchi Method

Target assembly is a key consumable material for producing thin fi lm used in the electronic packaging and devices. The residual stresses induced during the process of soldering are detrimental to the performance of target assembly. In this work, the intensity and distribution of the soldering residual stress of Co/In/Cu target assembly subjected to a 20 W/(m~2 K) cooling condition corresponding to the actual air cooling process were studied, based on fi nite element simulation and Taguchi method, to optimize the sputtering target assembly. Effects of different control factors, including solder material, thickness of solder layer, target and backing plate, on the soldering residual stress of target assembly are investigated. The maximum residual stress is calculated as 9.28 MPa in the target located at 0.16 mm from target–solder layer interface and at a distance of 0.78 mm from symmetry axis. The optimal design in target assembly has the combination of indium solder material, cobalt target at 12 mm thick, solder layer at 0.8 mm thick, copper backing plate at 15 mm thick. Moreover, solder material is the most important factor among control factors in the target assembly.     

FORMATION AND CHANGE OF AuSn4 COMPOUNDS AT INTERFACE BETWEEN PBGA SOLDER BALL AND Au／Ni／Cu METALLIZATION DURING LASER AND INFRA-RED REFLOW SOLDERING

Interactions between 63Sn37Pb solder and PBGA metallization (Au/Ni/Cu) during laser and infrared reflow soldering were studied.During laser reflow soldering process,a thin layer of AuSn4 was observed at the interface of the solder bumps,its morphology was strongly dependent on the laser reflow power and heating time.The solder bumps formed by the first laser reflow was reflowed again to form the solder joints.The AuSn4 compounds formed in the first laser reflow process dissolved into the bulk solder after the secondary infrared reflow process.The needle-like AuSn4 changed into rodlike,and distributed inside the solder near the solder/pad interface.     

SnAgCu无铅钎料焊点结晶裂纹

针对印刷电路板(PCB)上无铅钎料SnAgCu微小焊点的结晶裂纹,利用设计的试件重现无铅钎料钎焊过程中产生的结晶裂纹,对无铅钎料结晶裂纹进行模拟,同时研究了微量元素的添加对SnAgCu合金焊点结晶裂纹形成的影响。结果表明,在尺寸很小的焊点上仍然存在明显的结晶裂纹。用焊点结晶裂纹的总长度定量地评价无铅钎料结晶裂纹的敏感倾向,添加Ni和Ce元素能够降低无铅钎料结晶裂纹的形成,而P元素的添加却加剧了结晶裂纹的形成,明显增加了焊点处的结晶裂纹。     

细间距器件无铅焊点力学性能和断口形貌分析

分别采取红外再流焊和激光再流焊焊接细间距器件,研究了SnPb,SnAgCu和SnAg三种钎料在不同焊接热源下焊点的力学性能。结果表明,激光再流焊对应焊点的力学性能优于红外再流焊,该现象在使用SnAg钎料的情况下尤为显著,同时无铅焊点优于传统的SnPb焊点。对焊点断口形貌进行研究,发现激光焊接的条件下,焊点断口韧窝较多、较深,断口的撕裂棱朝固定的方向延伸,而红外热源焊接的条件下,断口韧窝较少,较浅,两种情况下焊点韧窝开裂均为穿晶开裂。