隨機(jī)振動(dòng)載荷下QFP焊點(diǎn)界面層IMC裂紋產(chǎn)生規(guī)律研究.pdf

1、電子產(chǎn)品在高溫、熱沖擊、隨機(jī)振動(dòng)等惡劣的服役情況下,它將會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效,特別是界面層裂紋失效,它已成為微電子產(chǎn)品在實(shí)際服役過(guò)程中發(fā)生較普遍的一種。它已成為各國(guó)研究者所關(guān)注的焦點(diǎn)。本文采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法來(lái)研究隨機(jī)振動(dòng)下的QFP器件焊點(diǎn)界面層開(kāi)裂問(wèn)題,具體工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)選取混裝組件進(jìn)行建模仿真,建模時(shí)對(duì)混裝組件中焊點(diǎn)和引腳等效成一個(gè)塊狀等效模型簡(jiǎn)化處理;采用 GJB150.16-86中推薦“第八類隨

2、機(jī)振動(dòng)—噴氣式飛機(jī)振動(dòng)環(huán)境”振動(dòng)試驗(yàn)條件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析;分析組件的翹曲度、組件應(yīng)力集中區(qū)域(薄弱環(huán)節(jié))、組件中器件焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變分布及危險(xiǎn)焊點(diǎn)位置;再運(yùn)用子模型法建立危險(xiǎn)區(qū)域焊點(diǎn)精細(xì)模型,利用子模型來(lái)求解三種不同類型焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值,最后運(yùn)用Miner疲勞累積損傷理論、三帶技術(shù)和利用三參數(shù)S-N曲線近似公式來(lái)預(yù)測(cè)不同類型焊點(diǎn)疲勞壽命。
　　(2)為了更好研究QFP器件在隨機(jī)振動(dòng)載荷下界面分層情況,首先根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),建立QF

3、P器件三維有限元簡(jiǎn)化模型,并驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型。其次,對(duì)QFP器件在隨機(jī)振動(dòng)載荷下界面層的失效機(jī)理進(jìn)行分析,從而更加清楚 QFP器件焊點(diǎn)在隨機(jī)振動(dòng)下分層失效的原因。最后根據(jù) QFP器件固有頻率與振型以及其位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布情況,確定QFP器件焊點(diǎn)界面層IMC在隨機(jī)振動(dòng)載荷下最容易出現(xiàn)分層的位置。
　　(3)通過(guò)有限元J積分的模擬方法和理論計(jì)算J積分的兩種方法來(lái)研究QFP器件在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的焊點(diǎn)界面層的裂紋擴(kuò)展。通過(guò)研究了該界面分層擴(kuò)

4、展的位置,同時(shí)預(yù)測(cè)了分層擴(kuò)展的趨勢(shì),還分析了初始裂紋位置、裂紋長(zhǎng)度、材料參數(shù)等因素對(duì)QFP焊點(diǎn)界面分層擴(kuò)展的影響。
　　研究結(jié)果表明:第一,QFP器件組件易產(chǎn)生高應(yīng)力集中區(qū)為:定位孔附近的小區(qū)域、兩對(duì)稱定位孔之間連線區(qū)域、通孔集中附近區(qū)域、PCB中間位置區(qū)域,這些區(qū)域是組件抗振薄弱區(qū)域;并預(yù)測(cè)出QFP器件的壽命為8.54小時(shí)。第二,PCB上建立忽略 QFP引腳間距,將基板、芯片、塑封體等效成一個(gè)體賦予塑封體的材料參數(shù)的簡(jiǎn)化模型具有

5、可行性并驗(yàn)證其正確性。第三,在隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下最大應(yīng)力出現(xiàn)在與X軸成240度那個(gè)QFP器件的最外側(cè)的焊點(diǎn)界面層。這個(gè)位置由于應(yīng)力集中,在隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下,QFP器件焊點(diǎn)界面IMC最容易出現(xiàn)分層的位置。在過(guò)程中,如果由于應(yīng)力集中引起界面層開(kāi)裂,那么裂紋將會(huì)沿著這個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展。還可以得到QFP器件的應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律。QFP焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律為:器件四個(gè)拐角處應(yīng)力應(yīng)變最大,為危險(xiǎn)焊點(diǎn),具體位置為銅引腳外側(cè)與焊料結(jié)合處;從焊點(diǎn)局部應(yīng)力

6、分布圖可以看出,外側(cè)焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變較大,在隨機(jī)振動(dòng)條件下裂紋最先產(chǎn)生在該區(qū)域,內(nèi)側(cè)焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變相對(duì)較小;整個(gè)器件焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律為:就單側(cè)焊點(diǎn)而言,由頂端至低端焊點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢(shì)為先減小,然后又增加。第四,對(duì)于本研究中QFP器件而言,隨著裂紋長(zhǎng)度的增加,裂尖J積分值出現(xiàn)了先增加后減小的變化趨勢(shì),由此預(yù)測(cè)當(dāng)分層擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度后將停止擴(kuò)展。有鉛焊料的焊點(diǎn)最容易出現(xiàn)分層,擴(kuò)展速度也是最快的。而混裝焊點(diǎn)的擴(kuò)展速度次之,無(wú)鉛焊點(diǎn)最不容易出現(xiàn)分層,