無鉛BGA焊點的疲勞壽命評估技術研究.pdf

1、在熱循環(huán)過程中，焊點受到芯片端和PCB端各組件及本身熱膨脹不匹配效應的影響，局部位置會產(chǎn)生大的應力應變，過度疲勞后會有裂紋產(chǎn)生并且擴展直至斷裂，引起焊點失效。利用有限元分析工具對焊點進行建模仿真，得出應力應變的分布狀態(tài)、時間歷程及遲滯回線，可以理解焊點的熱循環(huán)疲勞過程，根據(jù)相關的疲勞壽命預測準則，可以對焊點的壽命進行評價，從而指導焊點的可靠性設計。這種方法是現(xiàn)代微電子封裝領域內(nèi)經(jīng)常使用的手段，它可以在工藝制作完成前對焊點的疲勞壽命作出前

2、瞻性地預測。本文針對無鉛焊料Sn-3.5Ag的BGA焊點進行了有限元模擬仿真的研究，主要內(nèi)容及成果如下： 1.利用有限元分析工具ANSYS建立了PBGA封裝的1/4組件模型，并采用統(tǒng)一的粘塑性Anand本構方程來描述焊點的力學行為，之后對模型施加一定約束條件并加載溫度循環(huán)載荷經(jīng)ANSYS求解器計算，提取其計算結果來研究焊點的疲勞性能；考慮到熱循環(huán)過程中焊點所受的復雜應力情況，依照第四強度理論，提取vonMises應力應變作為研究

3、對象，同時將第三強度理論要求的最大剪切應力應變也作為研究對象來與第四強度理論的分析結果進行對比。 2.研究顯示：隨著溫度循環(huán)載荷的施加，焊點陣列會產(chǎn)生不均勻的應力應變分布，局部位置會產(chǎn)生應力集中和大的塑性應變，考慮此兩方面的因素，得知陣列的內(nèi)側焊點為疲勞失效最易首先發(fā)生的所在；進一步分析了這些疲勞失效點處的應力和應變的時間歷程和相應的遲滯回線，從分析中得知隨循環(huán)時間的增加，應力變化比較平穩(wěn)，但在高溫保持段的兩側出現(xiàn)了大的瞬間波動

4、；而塑性應變有明顯增大的趨勢，從遲滯回線的分析中得知隨著循環(huán)次數(shù)的增加，回線會逐漸趨于平穩(wěn)，這是疲勞失效的顯著特征。 3.建立了帶空洞的BGA焊點模型，并對其進行有限元分析。通過研究得出：中心空洞的存在對焊點的底部和頂部的高應力區(qū)向焊點內(nèi)部的延伸有阻礙作用，但若空洞和焊點的截面積比超過20％，高的應力會出現(xiàn)在空洞內(nèi)部靠近焊點頂部的位置；若空洞位于無空洞的模型分析里焊點本身的高應力區(qū)（焊點頂部），會使應力分布發(fā)生很大的改變，在降低

5、了空洞所在焊點處應力應變的同時，原本的高應力區(qū)已經(jīng)擴散進入空洞區(qū)域，隨著空洞尺寸的增大，擴散區(qū)會越來越大；若空洞位于無空洞的模型分析里焊點本身的低應力區(qū)（焊點底部），同樣會對原本的應力分布產(chǎn)生大的影響，使高應力區(qū)的范圍向焊點內(nèi)部延伸，但此位置空洞的尺寸對應力分布的改變作用不大；不論空洞出現(xiàn)在高應力區(qū)，還是低應力區(qū)，都使得陣列中原本存在最大應力和最大塑性應變的點從空洞所在的焊點處轉移到了別的與此焊點受力完全不同的焊點上，這體現(xiàn)了存在空洞的