EBGA焊点形态预测与可靠性分析

基于能量最小原理对装配后的EBGA焊点形态进行了预测。采用统一型粘塑性Anand本构方程描述了Sn63Pb37合金的粘塑性力学行为，采用非线性有限元方法研究了EBGA焊点在热循环条件下的应力应变过程及其特殊性，应用基于能量和损伤累积的Darveaux方法预测了EBGA焊点的热循环寿命。     

QFN封装焊点可靠性的有限元分析

建立了QFN(quad flat non-leaded)的1/4模型,用Anand模型构建了Sn3.0Ag0.5Cu的本构方程,并比较了不同焊点形态时QFN的可靠性.结果表明,在温度循环载荷下,QFN器件应力的最大值位于拐角处的焊点的上表面处,且其应力值变化具有周期性和叠加性;无缩回设计的引脚比有缩回设计的引脚具有更好的可靠性,但对于无缩回设计的引脚,其焊脚高度和焊点长度对其塑性功的累积无明显影响;钎料厚度对焊点塑性功的累积有明显影响,焊点的单位体积塑性功与钎料厚度成反比;中央散热焊盘的焊接面积对焊点塑性功的累积有一定影响,在QFN的焊接过程中可以适当增加其焊接面积.     

CSP器件无铅焊点可靠性的有限元分析

采用有限元方法对芯片尺寸封装(CSP)器件焊点可靠性进行模拟分析.运用Anand本构模型描述Sn3.OAg0.5Cu无铅焊点材料的粘塑性特性,研究了焊点的力学行为.结果表明,CSP焊点最大应力区为拐角芯片所下压的焊点上表面处,对焊点应力最大节点的时间历程后处理结果显示,温度循环载荷下,焊点应力呈周期性变化,并有明显的应力松弛和积累迭加效应.对三种常用不同焊点高度尺寸下的焊点应力进行对比分析,发现三种尺寸中,0.35 mm×0.18mm焊点的可靠性最好.还模拟对比了芯片厚度不同对焊点可靠性的影响,结果显示芯片厚度对焊点可靠性影响较小.

Abstract：

Finite element method was employed to analyze the reliability of soldered joint in a CSP device. Anand model was used to establish the constitutive equation of Sn3.0Ag0.5Cu solder, the stress behavior of soldered joint was studied. The results indicate that the maximal stress is located at the upper surface of the soldered joint which is under the outermost of chip. The phenomenon of stress relaxation and accumulated enhancement could be observed abviously from the curves of stress and temperature with time cycle. Reliability of soldered joints with three usually-used heights are compared, and the results shows that the 0.35 mm ×0.18 mm one has the best reliability. Moreover, the influence of chip thickness on the reliability of soldered joints are investigated in the last part, the simulation result indicates that the influence is little.     

焊点形态对表面贴装元件无铅焊点可靠性的影响

表面组装焊点的几何形态是影响焊点可靠性的重要因素之一.本文采用有限元方法,重点讨论了润湿角对低银Sn2.5Ag0.7CuRE焊点的应力应变分布和热疲劳寿命的影响,并与Sn37Pb和Sn3.8Ag0.7Cu钎料焊点的热疲劳寿命进行了对比分析.研究表明,片式元件的理想接头形态为微凹形;在此形态下,与Sn37Pb和Sn3.8Ag0.7Cu钎料焊点相比,低银Sn-2.5Ag-0.7CuRE钎料的表面贴装元件焊点具有更高的热疲劳寿命.这一结果对于焊点的优化设计及新型无铅钎料的研制具有一定的指导意义.     

倒装焊底充胶分层与SnPb焊点热疲劳的可靠性

采用实验和有限元模拟,研究了底充胶分层和ＳｎＰｂ焊点的可靠性。结果表明,底充胶分层易发生在芯片／底充胶界面边缘处;当底充胶与芯片粘合强度较弱时,底充胶的早期分层是焊点中裂纹萌生扩展从而导致失效的直接原因;当底充胶与芯片粘合强度较强时,分层可以削弱底充胶对焊点的机械耦合作用,从而影响焊点的热循环寿命,此时,焊点热疲劳裂纹是焊点失效的直接原因。     

低应力柔性CCGA焊点设计及其可靠性预测

为提高大芯片面阵列封装的可靠性、降低工作载荷下钎料焊点内部的应力集中程度,基于力学原理对陶瓷柱栅阵列（ceramic column grid array,CCGA）封装结构进行了柔性互连设计和焊点形态设计.采用有限元方法研究了该低应力柔性CCGA互连结构在剪切载荷下的力学行为.结果表明,互连结构的峰值应力和峰值应变由设计的铜质的锥形漏斗体承担,性能薄弱的钎料及钎料/铜柱界面不再处于互连结构的应力应变集中位置,焊点内部应力应变较传统CCGA焊点降低显著;预测该低应力柔性CCGA互连焊点将具有更高的可靠性.     

3D封装芯片焊点可靠性有限元分析

选择工业中广泛使用的Sn,Sn3.9Ag0.6Cu钎料作为三维封装芯片键合焊点材料,采用ANSYS有限元软件建立三维封装模型,基于Garofalo-Arrhenius本构方程,进行-55～125°C热循环模拟,并通过田口法探讨封装结构和工艺参数对焊点的可靠性影响.结果表明,Cu柱与焊点接触处是整个结构的薄弱区域,在IM...     

基于广义铺展条件下的倒装焊焊点形态预测

随着电子元器引线密度的不断提高,不同条件下焊点形态的精确预测至关重要. 考虑钎料量过大溢出到焊盘以外区域(如焊盘外侧的阻焊层或基板)的情况,基于所提出的广义铺展条件建立了适用于倒装焊焊点的三维形态预测模型,给出了基于该模型的能量及体积约束方程. 此外,给出了钎料在不润湿表面接触角的测量方法,通过该方法得到了钎料与基板间的润湿角参数,在此基础上利用Surface Evolver有限元软件对倒装焊焊点形态进行了预测并进行了试验验证. 结果表明,在各种条件下模拟与试验结果吻合良好.     

基于焊点形态预测与塑性应变计算的工艺参数对QFP焊点可靠性影响分析

选取焊盘长度、焊盘宽度、钢网厚度和间隙高度4个工艺参数作为关键因素,采用水平正交表L25(56)设计了25种不同参数组合的208脚、0.5mm引脚间距四方扁平封装(Quad Flat Package:QFP)器件焊点;建立了这25种焊点的三维形态预测模型和三维有限元分析模型;对热循环加载条件下QFP焊点进行了非线性有限元分析,基于塑性应变采用Coffin-Manson方程计算了25种不同焊点形态的QFP焊点热疲劳寿命;针对热疲劳寿命计算结果,进行了极差分析与方差分析。结果表明,最优的工艺参数组合为焊盘长度1.25mm,焊盘宽度0.30mm,钢网厚度0.125mm,间隙高度0.05mm;在置信度为90%的情况下,焊盘长度对QFP焊点可靠性具有显著影响而焊盘宽度、钢网厚度、间隙高度对可靠性无显著影响。     

基于晶粒取向的无铅互连焊点可靠性研究

对球栅阵列封装(ball grid array,BGA)组件进行热循环实验,通过EBSD对焊点取向进行表征,观察不同取向焊点内晶粒取向演化情况.同时采用Surface Evolver软件对BGA焊点进行三维形态模拟,并基于实际焊点内的晶粒构成,对热加载条件下BGA组件热应力应变分布进行计算.实验和模拟结果表明,晶粒取向对焊点可靠性和失效模式产生非常显著的影响.对于单个晶粒构成的焊点,应力应变主要集中在靠近界面的钎料内部,该处发生明显的再结晶并伴随着裂纹的萌生和扩展;而对于多个晶粒构成的焊点,应力应变分布则依赖于晶粒取向,再结晶和裂纹倾向于偏离界面沿原有晶界向钎料内部扩展.部分特殊取向焊点,当原有晶界与焊盘界面垂直时,不利于形变,表现出较高的可靠性.当晶界与焊盘夹角为45°时,在剪切应力和焊点各向异性的双重作用下,原有晶界处产生较大的应力应变集中,加速了裂纹的萌生和扩展,导致焊点最终沿着原有晶界发生再结晶和断裂,焊点发生早期失效的可能性增加.     

THE DESIGN OF AN INTEGRATED SYSTEM FOR PREDICTING AND ANALYZING SOLDER JOINT SHAPE AND RELIABILITY IN SMT

1.IntroductionOnecriticalaspectinelectronicpackagingisthefatigUe/creep--inducedfailureinsolder(tin--leadbasedalloy)interconnections.previouswork,[l--ZJhaveprovedthatthesolderjointreliabilitydependsonthesolderjointshape(amongotherparameters).Manyissueshavefocusedontheresearchaboutsolderjointshapesince90.However,asystematicmethodofpredictingandanalyzingsolderjointshapeandreliability,whichcanheusedindirectingpracticalengineering,isstillnotgiven.Basedontheobject--orientedaPPmach,anintendedsystem…     

电子封装微互连焊点力学行为的尺寸效应

研究了微互连模拟焊点在不同直径(d=200-575μm)和长度(l=75-525 μm)匹配条件下准静态微拉伸的力学行为.研究结果表明,焊点几何尺度因子d/l对焊点内的力学拘束及接头强度有重要影响;d/l增大时导致焊点中力学拘束和应力三轴度的提高,但接头强度并不完全符合Orowan近似公式的预测结果,保持l恒定而增加d时会出现强度变小的尺寸效应.研究结果还表明,无论无铅还是含铅钎料,其焊点拉伸强度与焊点体积(d2l)之间的变化关系符合反比例函数,即σF-Joint=1/Ad2l+B,焊点的强度随焊点体积的减小而显著增大,显示了焊点"越小越强"的"体积"尺寸效应.     

通孔元件焊点的抗热疲劳性能预测Ⅰ.焊点抗热疲劳能力的实验研究

针对通孔焊点进行了热冲击的可靠性测试，以非破坏性和破坏性的实验方法，对比分析了波峰焊点和再流焊点的抗热疲劳能力．结果表明，CTE(热膨胀系数)失配是焊点产生裂纹的主要原因，而焊点形态的差异又使得再流焊点内部断裂程度不同于波峰焊点．再流焊点裂纹产生在钎料内部；而波峰焊点由于具有饱满的圆角过渡形态，裂纹产生在镀铜孔与线路板的连接拐角处．裂纹的产生导致了两种焊点强度的降低，对其电性能的影响却甚微。     

92.5Pb5Sn2.5Ag焊层热循环可靠性和裂纹扩展

研究了功率模块芯片在ＤＣＢ基板上９２．５Ｐｂ５Ｓｎ２．‘５Ａｇ钎料焊导牟热循环可靠性和裂纹扩展,应用超声波显微镜对裂纹扩展过程进行检测,得到了热循环失效的热纹扩展数据,采用统一型粘塑性Ａｎａｎｄ方程描述了９２．５Ｐｂ５Ｓｎ２．５Ａｇ的力学本构,模拟了焊层在热循环条件下的应力应变过程,基于裂纹扩展的实验数据和等效塑性应变境量△εｅｐ＾ｉｎ,提出了一种描述热循环裂纹扩展速率的经验方程。     

共晶SnBi/CU焊点界面处Bi的偏析

利用SEM,TEM,XRD分析了共晶SnBi／Cu焊点经120℃时效7d后界面组织结构的变化,焊点界面处金属间化合物厚度由原来初始态的约2μm增至时效态的10μm,并且化合物也由原来单一的Cu6Sn5转变为Cu6Sn5和Cu3Sn相,进一步研究表明,在Cu3Sn与Cu之间界面处偏析了大量尺寸约100nm的Bi颗粒,双缺口试样的断裂韧性实验表明,热时效促使焊点断裂韧性快速下降,同时该焊点的断口也由原来初始态的韧性断裂转变为时效后Cu3Sn与Cu界面处的脆性断裂,脆性断裂后一侧断口为鲜亮的Cu表面,在TEM下,通过与220℃／5d时效态纯Sn／Cu焊点相同界面的比较,可以断定引起该焊点失效的原因是Bi颗粒在此界面处的偏析,含Bi无Pb焊料由于Bi在界面析出而引发的脆断将会是微电子器件长期使用中的一个潜在危害。     

CALCULATION OF THREE－DIMENSIONAL SOLDER JOINT FORMATION IN MICROELECTRONIC SURFACE MOUNT TECHNOLOGY

ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮＯＦＴＨＲＥＥ－ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬＳＯＬＤＥＲＪＯＩＮＴＦＯＲＭＡＴＩＯＮＩＮＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＵＲＦＡＣＥＭＯＵＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ￥Ｇ．Ｚ．Ｗａｎｇ,Ｃ．Ｑ．ＷａｎｇａｎｄＹ．ＹＱｉａｎ（Ｎａｔｉｏｎａ...     

结构变化对Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点电迁移行为和组织演变的影响

利用SEM观察、聚焦离子束(FIB)微区分析和有限元模拟对比研究了直角型和线型Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点在高电流密度下(1.5×10~4A/cm~2)的电迁移行为,从原子扩散距离和微区域电阻变化及阴阳极物相变化的角度研究了焊点结构变化对电迁移影响的机理.结果表明,2种焊点通电112和224 h后均发生了Bi向阳极迁移并聚集及Sn在阴极富集的现象;直角型焊点阳极由于Bi聚集后膨胀而产生压应力进而导致小丘状凸起和微裂纹出现,而阴极存在拉应力引发凹陷和微裂纹,且沿界面呈非均匀变化.微区组织分析表明,电迁移作用下焊点内部Bi原子的扩散速度大于Sn原子的扩散速度.观察分析和模拟结果还表明,具有结构不均匀性的直角型焊点中电子流易向电阻较小区域聚集而产生电流拥挤效应,这是引起直角型焊点电迁移现象严重的根本原因.     

FCBGA器件SnAgCu焊点的热冲击可靠性分析

采用有限元法和Garofalo-Arrheninus稳态本构方程,在热冲击条件下对倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）器件SnAgCu焊点的可靠性进行分析. 结果表明,Sn3.9Ag0.6Cu焊点的可靠性相对较高. 通过分析SnAgCu焊点的力学本构行为,发现焊点应力的最大值出现在焊点与芯片接触的阵列拐角处. 随着时间的推移,SnAgCu焊点的应力呈周期性变化. Sn3.9Ag0.6Cu的焊点应力和蠕变最小,Sn3.8Ag0.7Cu焊点应力和蠕变次之,Sn3.0Ag0.5Cu焊点应力和蠕变最大,与实际的FCBGA器件试验结果一致. 基于蠕变应变疲劳寿命预测方程预测三种SnAgCu焊点的疲劳寿命,发现Sn3.9Ag0.6Cu焊点的疲劳寿命比Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.8Ag0.7Cu焊点的疲劳寿命高.     

SnAgCu表面贴装焊点在时效和热循环过程中的组织及剪切强度变化

研究了SnAgCu/Cu和SnAgCu/Ni-P/Cu表面贴装焊点在时效和热循环过程中的微结构及剪切强度的变化,结果表明,SnAgCu与Cu的反应速率大于其与Ni-P的反应速率,经长时间时效后,SnAgCu/Cu焊点中SnAgCu与Cu的界面成为弱区,nAgCu/Ni-P/Cu焊点的剪切断裂则发生在Ｎi-P与Ｃu的界面,热循环过程中两种焊点均产生裂纹且强度下降,长时间热循环后Ｎi-P与Cu分层脱开,ＳnAgCu/Ni-P焊点失去强度。