基于有限元分析的BGA焊点可靠性研究

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试论提高BGA焊接可靠性的方法-TCB X

3 丝网的开孔
IPC的模板设计指南谈到的一个普遍的关于模板的问题是，开孔设计对印刷性能的影响。
图一显示锡膏印刷的三个主要性能问题。开孔尺寸[宽(W)和长(L)]与模板金属箔厚度(T)决定锡膏印刷于PCB的体积。在印刷周期，随着刮刀在模板上走过，锡膏充满模板的开孔。然后，在电路板/模板分开期间，锡膏释放到板的焊盘上。理想情况，所有充满开膏从内孔壁释放的能力主要决定于三个因素：模板设计的面积比/宽深比 (aspect ratio)、开孔侧壁的几何形状、和孔壁的光洁度。采用电抛光的工艺和倒梯形的开孔方式都可以提高脱膜效果。
存在BAG“黑色焊盘”的问题好无有较好较好
5——20（金） 1.1-3
无关
改善孔壁的可靠性是
金存在着脆性的问题好无有较好
存在金厚度控制的问题 30——100（金） 1.2-1.5
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另外一种方案可以对BGA的四角上的焊球失效有所帮助。我们可以增加四个角上的BGA的开孔面积，如图所示：
当然采用此方法，对于PAD的设计也要有所改变。
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结束语：优选的ＢＧＡ焊点的要求是焊点光滑、圆、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊锡球。在此我们仅讨论了关于ＢＧＡ焊接可靠性方面的一些改善方法，仅供各位同事参考。
着色探伤检测分析结果： 1 PCB 在化学镀镍/浸金存在问题“黑色焊盘”的现象，这种现象导致镍层浸润性差，在外力作用下易于产生焊盘脱落。 2 由于焊料的CTE和基体材料的CTE以及热偏差的差异，使距中心较远的焊球首先失效。（陶瓷CTE大约为6，PCB的CTE大约为16－20）。

BGA焊接可靠性分析及工艺改进

科技风2020年8月机械化工DOT10.19392/ki.1671-7341.202024088 BGA焊接可靠性分析及工艺改进李晓明焦超锋任康中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所陕西西安710065摘要：随着电子产品的升级，为了实现电子产品的微型化、网络化和高性能，电子产品的组装技术，需要进一步的发展。

BGA焊接正是在电子产品组装中，发挥了重要的作用。

然而，从实际情况来看，BGA焊接可能从多个方面，造成芯片固定管脚断裂等焊接方面的问题。

本文从影响焊接可靠性因素的方面，进行BGA焊接可靠性的分析,进一步的提出BGA焊接的工艺改进措施，实现焊接质量问题的防范。

关键词:焊接技术;BGA焊接；焊接工艺-、BGA焊接工艺简介BGA焊接，根据焊接封装材料的区别，可以将其划分为塑胶和陶瓷两个类别。

这两个类别分别为PBGA塑胶焊球、CBGA陶瓷焊球，随着技术的发展，目前也有TBGA载带型球阵列焊接。

PBGA的是最为常见的BGA技术，其使用材质为焊锡球，从成本来看，成本低廉，且焊接容易，在回流焊过程中，焊球能够实现自主的校准，电学性能能够较好的实现。

但是，由于封装采用塑料材质，对于环境中湿气较为敏感，容易受潮。

因此，对气密性要求较高的封装焊接，不适用于PBGA。

同时，焊接前普通元器件，需要在八小时内完成焊接使用，否则受潮后容易导致元器件吸附水分，元器件氧化，导致在焊接过程元器件不能充分清除氧化物，产生虚焊、假焊的缺陷。

二、影响BGA焊接可靠性的因素(1)物料因素。

BGA物料，在焊接过程中岀现实效或焊接不良的情况,就会导致焊接可靠性下降。

例如BGA物料焊锡球脱落，或者焊锡球岀现裂纹等质量问题等。

物料的因素，会导致焊接后的焊点，与芯片元件岀现分离空洞。

(2)环境因素。

如采用PBGA完成焊接，可能由于湿度敏感问题，导致BGA出现失效的情况。

或者,在焊接环境下，静电的出现,也有可能导致出现静电击穿的情况，导致BGA焊接可靠性下降。

球栅阵列BGA封装焊球的力学可靠性分析及预测

复旦大学硕士学位论文球栅阵列BGA封装焊球的力学可靠性分析及预测姓名：祁波申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：王家楫20070425复日大学１＝掌硕』＋学位论空区。

整个回流焊时间约７至８分钟。

样品的冷却在常温下进行。

２．４，２ＳＭＴ后Ｂ６Ａ封装样品的检测ＢＧＡ样品完成ＳＭＴ后，须进行电学性能测试、Ｘ－ｒａｙ观察等ＳＭＴ后检测工作，检查样品回流焊的质量，是否有桥接、未对准、开焊、焊球丢失等缺陷，检测合格的样品才能进行下面的可靠性力学试验。

１１电学检测用ＰＣ９Ｄ型数字微欧姆计测量ＢＧＡ样品的焊球串联电阻值，检验ＢＧＡ焊点的ｄａｉｓｙ．ｃｈａｉｎ串联情况，确保ＢＧＡ焊球都与其对应ＰＣＢ板焊盘具有良好的电气连接。

２）ＯＭ检测并从ＳＭＴ合格的ＢＧＡ样品中，选取ＰｂＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ样品各一个作为试验的原始参照样品。

对其进行ｃｒｏｓｓ．ｓｅｃｔｉｏｎ分析（见图２．７），观察ＢＧＡ封装焊点．ＰＣＢ板间的互连结构、焊料与ＰＣＢ板Ｃｕ焊盘的浸润情况，并对焊点的形状及尺寸进行测量，为后期计算机模拟提供试验参数依据。

图２．７ＢＧＡ焊点．ＰＣＢ板间互连结构的ＯＭ图（左ｌｇｌｘｌ００，右１蛩ｘ２００）３１Ｘ—ｒａｙ透射显微镜检测由于ＢＧＡ器件的焊球在封装体的下面，回流焊到ＰＣＢ板后，传统的ＯＭ仅能对其外围焊球情况进行观察，要判断ＢＧＡ内部的焊接质量，就必须使用Ｘ－ｒａｙ透射显徼镜（见图２．８）。

ａ．良好的焊点对准情况ｂ．部分焊点未对准图２．８ＢＧＡ封装所有焊点的Ｘ－ｒａｙ图第三章可靠性试验的结果及焊点失效分析染色的焊球样品照片。

图３．３显示了拉断后ＰＣＢ焊接界面的断口形貌。

图３．２３６００９跌落失效焊球荧光染色照片图３．３拉断后ＰＣＢ焊接的断口形貌由图中观察到，焊点断口出出现条状的疲劳条纹，同时呈现出被荧光染色剂渗透的结果。

说明ＢＧＡ焊点与焊盘之间存在缝隙，染色剂才会渗透进去；另一方面拉脱元件时，其脱落位置除了少数为ＢＧＡ焊盘断裂外，大部分均脱落在ＢＧＡ焊球与ＰＣＢ焊盘的界面，这初步说明ＰＣＢ焊盘的焊接强度不够理想，在一定程度的外界应力作用下会产生裂纹。

基于有限元分析的BGA焊点可靠性研究

三种 B GA 器件的不同形态焊点蠕变应变分布状态
图. 应力应变过程分析是用 MARC 有限元分析软件
进行.
按照疲劳寿命试验条件 ,使用目前比较著名的
低循环疲劳 Coffin - Manson 模型进行寿命评估 ,得
到需要的 B GA 器件焊盘直径设计推荐值 , 以及
B GA 器件的最佳钎料量和焊点的热疲劳寿命预测
器件器件重量上焊盘直径下焊盘直径
编号 (g)
( mm)( mm)A 0. 8550. 53
B
2. 39
0. 65
C
2. 61
0. 65
0. 53 0. 60 0. 72 0. 80 0. 90 0. 65 0. 70 0. 80 0. 90 1. 00 0. 65 0. 70 1. 08 1. 18 1. 37
n
κ κ ∑ ES = TdA +
Ti dA
(2)
A0
i =1 Ai
µ EG =
ρgz dv
(3)
V
式中 , T 为自由液面表面张力 ; A 0 为自由液面总面
积 ; Ti 为固液界面张力 ; n 为固液界面个数 ; A i 为标
号为 i 的固液界面面积 ;ρ为钎料密度 ; g 为重力加
速度 ; z 为竖直方向坐标.
114
微电子学与计算机
2010 年
其它形式的力. 从能量最小原理出发 ,系统能量最小
时 ,液体界面形态达到平衡形态[1 ] . 对 SM T 焊点 ,
认为熔融钎料在金属表面润湿铺展时 , 系统能量
( E) 是表面势能 ( ES ) 和重力势能 ( EG) 之和 ,即 :
E = ES + EG

BGA焊点的有限元模拟仿真分析_王艳良

4.2.7 产品色纯的质量控制
（1）核整机的内消磁强度：冷机 30 分钟以上，开机验证内消磁功能和强度。
（2）考核整机的热膨胀补正特性：从冷机到热机 30 分钟以上，整个过程画面的色纯均应处于良好状态。
（3）考核整机的环境温度适应性：对样品进行 0~40℃的高低温试验，按试验要求恢复后的产品色纯应处于良好状态。
Wang Yan-liang1,2，Qiu Bao-jun2 （1．School of Material and Energy，Guangdong University of Technology， Guangdong Guangzhou 510075；2．State Key Laboratory for Electronic Components Reliability Physics and Application，CEPREI，Guangdong Guangzhou 510610）
21
PCB 基板 1.27×1.27×1.58 FR4
18 0.25
18
表 2 63Sn- 37Pb 的 Anand 模型的参数
Q
参数 S 0
R
Байду номын сангаас
A
ξm
h0
S赞
n
a
单位 Mpa K 1/s ～～ Mpa Mpa ～～
56.3 1083 1.49
数值
11
3 0 E7
0.30
80.4 0.02
2640
等效应力a和等效应变b分布云纹图可靠性分析eliabilityanalysis252009绿色质量工程从ansys通用后处理器中分别提取出产生最大应力最大剪切应力最大vonmises应力最大塑性应变最大剪切塑性应变最大vonmises塑性应变的六个点来研究通过ansys的时间历程后处理器可以得出这些点的应力应变在热循环过程中随时间变化的关系其中产生最大应力和最大塑性应变的点为同一个点此点位于焊点与下焊盘的相接处应力应变随时间的变化过程如图4所示

BGA焊点纳米压痕实验有限元模拟分析

2014年3月
载荷Ｆ／ｍＮ
束，如图2所示。
图２单个ＢＧＡ焊点有限元模拟的边界条件
２．２载荷加载形式计算过程为非线性静力加载过程，考虑几何大
变形。载荷有两种方式:力与强制位移。经过计算考证，力加载与强制位移加载得到的载荷-位移曲线是完全一致的，本文计算中采用控制加载载荷的方法进行数值模拟。根据纳米压痕实验一次加载-卸载方式模拟BGA焊点纳米压痕过程，压头的运动由边界载荷控制，加卸载过程中载荷随时间的变化关系如图3所示。
电子工艺技术
66
Electronics Process Technology
2014年3月第35卷第2期
ＢＧＡ焊点纳米压痕实验有限元模拟分析
王丽凤，刘阁旭，戴洪斌
（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）
摘要：采用有限元方法模拟了ＢＧＡ焊点的纳米压痕实验的加、卸载过程，并根据得出的应力应变分布云图，通过分析从各关键部位提取的应力应变随时间变化的关系，对焊点发生失效的位置及蠕变特征进行了讨论。首先建立ＢＧＡ单个焊点的模型，设定其几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，然后利用有限元分析工具ＭＡＲＣ进行计算与标准试样实验结果相比较，通过反复修正应力－应变关系曲线，直至分析所得载荷－位移曲线与试验曲线很好地吻合，证实了模拟的可靠性，研究结果对焊点的可靠性评估有一定的指导意义。
各相的力学性能[3]。纳米压痕仪根据载荷-位移曲线和压头的面积
函数计算瞬时接触面积，避免了直接成像带来的误差，不但可以对压头载荷随压入深度连续变化进行精确测量，而且能够在相对有限的材料体积内产生很高的应变、应力或应变速率，极大地拓展了传统硬度测试仪的研究能力。然而，在研究焊点力学行为中，压痕实验是一个十分复杂的过程，位于压头下不同位置的材料处于不同的状态、经历了不同的过程，虽然材料的塑性性质在压痕实验中占有重要

焊点可靠性研究

SMT焊点可靠性研究近几年，随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术（SMT）的飞速发展，SMT焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。

与通孔组装技术THT（Through Hole Technology）相比，SMT在焊点结构特征上存在着很大的差异。

THT焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后，填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性，镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素，一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。

但在表面组装技术中，铅料的填缝尺寸相对较小，铅料的圆角（或称边堡）部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用，焊点的可靠性与THT焊点相比要低得多，铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。

另外，表面组装技术中大尺寸组件（如陶瓷芯片载体）与印制线路板的热膨胀系数相差较大，当温度升高时，这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。

如果温度超过铅料的使用温度范围，则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。

对于小尺寸组件，虽然因材料的CTE 失配而引起的焊点应力水平较低，但由于SnPb铅料在热循环条件下的粘性行为（蠕变和应力松弛）存在着蠕变损伤失效。

因此，焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。

80年代以来，随着电子产品集成水平的提高，各种形式、各种尺寸的电子封装器件不断推出，使得电子封装产品在设计、生产过程中，面临如何合理地选择焊盘图形、焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。

同时，迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断、对工艺参数的设置做出决策。

目前，在表面组装组件的封装和引线设计、焊盘图形设计、焊点铅料量的选择、焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则，对工艺参数的选择、焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。

因此，迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径，有效地提高表面组装技术的设计、工艺水平。

BGA焊点可靠性研究综述

BGA焊点可靠性研究综述Review of Reliability of BGA Solder Joints陈丽丽,李思阳,赵金林（北京航空航天大学,北京100191）Chen Li-li,Li Si-yang,Zhao J in-lin(College of Reliability and System Engineering,Beihang University,Beijing100191）摘要：随着集成电路封装技术的发展，BGA封装得到了广泛应用，而其焊点可靠性是现代电子封装技术的重要课题。

该文介绍了BGA焊点可靠性分析的主要方法，同时对影响焊点可靠性的各因素进行综合分析。

并对BGA焊点可靠性发展的前景进行了初步展望。

关键词：有限元；焊点；可靠性；BGA中图分类号：TN305.94文献标识码：A文章编号：1003-0107(2012)09-0022-06 Abstract:With the development of IC packaging technology,BGA is widely used,the reliability of its sol-der joints has became an important subject of modern electronic packaging technology.In this paper,a common method to analysis the reliability of BGA solder joints is introduced,various parameters which were displayed and the factors of influence on the solder joints,reliability were analyzed simultaneity. Based on above,we have an expectation of development foreground of the reliability of BGA solder joints.Key w ords:finite element;solder joint;reliability;BGACLC num ber:TN305.94Docum ent code:A Article ID：1003-0107(2012)09-0022-060引言近年来，高功能，高密度，高集成化的BGA封装技术成为主流的封装形式，其焊点可靠性是现代电子封装技术的重要课题。

BGA焊点可靠性工艺研究

第１，５期０卷第
Ｖｏ１１０．Ｎｏ５
．
电
子
与
封
装
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧｒＧＮ
总第８５期２１００年５月
封装．组装与测试・，，
ＢＧＡ焊点可靠性工艺研究
巫建华
（国电子科技集团公司第４研究所，合肥２０２）中３３０２
阵排列引出脚，并将引出脚改为Ｐ／ｎｂＳ焊料凸点。与传统的封装形式相比，ＢＡ具有单位面积上的ＩＧ／Ｏ数多，引线电感和电容小，散热效果好、对位要求低等优点，从而使其逐渐成为现代封装技术的主流。
摘
要：伴随高密度电子组装技术的发展，ＢＧＡ（ｌＧｉｒａ）成为高密度、高性能、多功能ＢａｌｒＡｒｙｄ
及高ＩＯ数封装的最佳选择。文章分析了影响Ｂ／ＧＡ焊点可靠性的关键因素，特别提出了减少焊点空洞缺陷和提高剪切强度的主要措施，并通过试验优化出各工艺参数。结果表明：运用优化的工
ｆｃｏｓｏｌｂｌｙｏＡｏｄｒｏｎ，ｓｅｉｌｒｓｎｓｒｉａｏｕｉｎｏｔｅｒａｅｏｄｄｆｃｎａｔｒｎｒｉｉｔｆｅａｉＢＧｓｌｅｉｔｅｐｃａｌｐｅｅｔｃｉｃｌｌｔｓｗｄｃｅｓｉｅｅｔｄｉｙｔｓｏｈｏｖａ
１０，Ｏ０ｈｇｔｅｔｅｔａｅｓｅｅｇｈｆｏｄｒｉｃｎｅｔｅｅｕｒｎｏＧＢ４Ｂ２０．５￣１０ｈｉｅｒｕｏｇ，ｈａｓｎｏｓｌｊｎａｍｅｔｒｑｉｍｅｔｆＪ５８一０５Ｃｈｍｐａｒｓｒｒｔｔｒｅｏｔｈｅ

BGA焊点可靠性测试和失效分析1

焊盘效果
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焊盘设计-SMD ：
优点：较强的附着力，较大的剥离强度较好的热传递适合多次重工，返修返修过程中，外力冲击不容易掉焊盘 Solder Mask Defined Solder ball 缺点：影响于阻焊膜较差的尺寸精度阻焊油开窗偏离焊盘中心 PC board Solder mask Cu Pad
1. 良好BGA焊点对PCB焊盘设计要求：
焊盘的设计： SMD --- Solder Mask Defined NSMD---Non Solder Mask Defined
SMD
焊盘效果
NSMD
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焊盘外观
PCB设计 PCB制板 SMT加工
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PCB 制板不良典型案例：
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来料检查：
阻焊窗未开好
焊盘氧化

BGA回流焊接工艺控制及温度监测
光学显微镜下对BGA焊点检查和判定

对BGA焊点典型的可靠性测试及失效分析
PBGA焊点缺陷鱼骨图分析

确保焊点长期可靠性，对BGA底部胶水填充处理，及三防处理。
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SMT加工
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有限元动力分析及其在焊点可靠性评价中的应用

ｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｕｎｄｅｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｌｉｆｅ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｉｓａｎｉｍｐｏ￣ａｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｄｙｎａｍｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄａｔｆｉｒｓｔ，ａｎｄｔｈｅｎｗｅ
王畅，谢定君，谢劲松（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京
１００１９１）
ＷａｎｇＣｈａｎｇ，ＸｉｅＤｉｎｇ－ｊｕｎ，ＸｉｅＪｉｎ－ｓｏｎｇ（ＡｃａｄｅｍｙｏｆＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．

BGA封装焊点可靠性及疲劳寿命分析

BGA封装焊点可靠性及疲惫寿命分析随着电子产品的不息进步，电子元件的集成化和微小化趋势愈创造显。

BGA（Ball Grid Array）封装作为一种先进的表面贴装技术，因其在空间利用率、导热性能和可靠性等方面的优势而被广泛应用于现代电子产品的制造中。

然而，由于BGA封装焊点的结构和工作环境的特殊性，焊点可靠性和疲惫寿命成为影响产品质量和可靠性的重要因素。

BGA封装的焊点可靠性主要受到以下几个因素的影响：焊点结构设计、焊接工艺和材料的选择以及使用环境条件。

起首，焊点结构设计是保证焊点可靠性的基础。

焊点的规划、尺寸和间距的设计需要思量到应力分布、热应力和热膨胀等因素，以防止焊点疲惫和断裂。

其次，焊接工艺和材料的选择是影响焊点可靠性的重要因素。

适当的焊接工艺参数和合适的焊接材料能够确保焊点的高度可靠性。

最后，使用环境条件也会对焊点可靠性产生重要影响。

温度变化、机械应力和震动等环境因素都可能导致焊点的疲惫、裂纹和失效。

疲惫寿命是衡量焊点可靠性的重要指标之一。

焊点在使用过程中会受到屡次热、机械应力的作用，从而导致疲惫断裂。

焊点疲惫寿命将受到多种因素的影响，包括焊点材料的物理、化学性质、腐蚀环境、应力水平宁加载方式等。

通常，焊点的疲惫寿命可以通过试验、数值模拟和寿命猜测模型等方法来进行评估。

通过对焊点疲惫寿命的分析，可以指导焊接工艺的优化，提高焊点的可靠性。

在BGA封装的焊点可靠性和疲惫寿命分析中，试验是一种重要的手段。

通过对不同焊点结构和工艺参数的试验探究，可以评估焊点在不同条件下的失效模式和寿命。

另外，数值模拟方法也是一种有效的手段。

通过建立焊点结构和材料的有限元模型，可以模拟焊点在实际工作条件下的应力和应变分布，从而评估焊点的可靠性和疲惫寿命。

此外，寿命猜测模型也是一种常用的手段。

通过建立适当的数学模型，可以依据焊点的工作条件和材料性质，猜测焊点的寿命，从而指导焊接工艺和材料的选择。

总的来说，BGA封装焊点的可靠性和疲惫寿命是一个复杂而重要的问题。

不同尺寸对FCBGA元器件焊点可靠性有限元分析

图8焊球高度对焊点可靠性的影响图9焊球直径对焊点可靠性的影响图10焊球间距对焊点可靠性的影响fig8effectofheightonreliabilityfig9effectofdiameteronreliabilityfig10effectofpitchonreliabilityofsolderedjointsofsolderedjointsofsolderedjoints3结论1在热循环加载的条件下fcbga封装焊点的应力集中区域明显出现在阵列的最拐角焊点的上表面上说明该处将成为焊点裂纹的发源地应力随着温度循环加载具有明显的累积迭加性
维普资讯
第２卷第６期１２００７年ｌ２月
江苏科技大学学报（自然科学版）
ＪｕｎｌｆｉｇｕＵｎｖｒｉｆｃｅｃｎｅｈｏｇ（ａｒｃｎｅＥｉｏ）ｏｒａｏＪｎｓｉｅｓｙｏｉｎｅａｄＴｃｎｌｙＮｔａＳｉｃｄｔｎａｔＳｏｕｌｅｉ
２ｈ４Ｒｓａｃｓｔｔ，ｈｎｌｃｏｉｓＴｃｎｌｙＧｏｐＣｒｏａｏ，Ｎｎｉａｇｕ２０１Ｃｉ；．Ｔｅ１ｅｅｒｈＩｔｕｅＣｉａＥｅｔｎｅｈｏｇｒｕｏｐｒｔｎａｊｇＪｎｓ１０３，ｈｎｎｉｒｃｏｉｎｉａ３ｒｉｃｌｅａｆｄａｃｄＷｅｉｇＴｃｎｌｇ，ｉｎｓｉｒｔｏｃｎｅａｄＴｃｎｌ，ｈｎｉｇｉｇｕ２２０，ｈｎ）．ＰｏｎｉｙＬｂｏＡｖｎｅｌｎｅｈｏｏＪａｇｕＵｎｅｓｙｆｉｃｎｅｈｏｏＺｅｊｎａｓ１０３ＣｉｖａｋｄｙｖｉＳｅｙｇａＪｎａ

SMT焊点的可靠性研究及CBGA焊点有限元分析

I
SMT 焊点的可靠性研究及 CBGA 焊点有限元分析
ABSTRACT
The reliability of soldered joints of electronic devices in surface mount technology is a key factor for the extensive application of electronic products. Therefore, aimed at meeting the needs of the components and devices for some type military products, the reliability of soldered joints of QFP, PBGA and CBGA have been studied in considerable detail. The tensile strengths of QFP joints were tested by means of STR-1000 Micro-joints Tester and the effects of pitch numbers, solder paste composition (SnPb paste and SnAgCu paste) on the mechanical properties of QFP joints were studied and the fracture micrograph of joints was also analyzed by means of SEM. The results indicate that under the condition of same pitch numbers, the tensile strength of the QFP joints soldered with SnAgCu solder paste is higher than that with SnPb solder paste; under the condition of same solder paste composition, the tensile strength of the QFP joints soldered with 48 pitches is lower than that with 100 pitches. Though PBGA packaging overcame the defect of QFP joints which the pitch is too fine, the detection method for the soldered joints of PBGA needs to be perfected. A series of PBGA soldered joints were detected by X-ray method, the shear strengths of soldered joints were detected by means of Micro-joints Tester, and the analysis and evaluation on shear strengths of PBGA balls with different diameters were also carried out. The results indicate that under the same conditions, the bigger the diameter is, the smaller the unit shear strength is, and the shear strength of PBGA joints soldered with eutectic solder is larger than that of tin- lead solder itself. Although CBGA packaging overcame the defect of PBGA packaging which it is easy to absorb moisture, the reliability of CBGA soldered joints still needs to research deeply. According to American Military Standard (MIL-STD-883), the reliability of CBGA soldered joints was studied under thermal cycling. The results indicate that the cracks emerged at the down interface of soldered joints which thermal cycling is up to 170 times and been expanded along grain boundary, and when thermal cycling is up to 240 times, the soldered joints fail. With the increase of thermal cycling times, the cracks expanded to the up interface of the soldered joints, the grains grown coarse and

混合组装BGA焊点可靠性模拟与试验研究

- II -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
both reflow process, and the presence of Cu6Sn5, Ag3Sn and Cu-Ni-Sn ternary was confirmed. The growth of IMC during aging stage was proportional to the square root of time, which was in line with bulk diffusion mechanism, and lead accumulation, crack and IMC fragmentation severely reduce reliability. However, no obvious lead aggregation and IMC thickness growth were observed during thermal cycling stage. The crack initiation and propagation after long-period cycle was pointed out to be subject to stress accumulation and weak interface. Through dyeing test and MAP diagram four kinds of solder joint failure was figured out, and the stress of four corners was greater than that of sides and even center. Component of ceramic package possessed lower reliability due to mismatch of thermal expansion, with long-term aging or thermal cycling test having the same result, and eventually the process Ⅱ was evaluated to be slightly better than process Ⅰ. Key Word ： Mixed Pb-free BGA/SnPb solder paste assemblies, Reliability, FEM, Microstructure evolution, Fractography

不同尺寸对FCBGA元器件焊点可靠性有限元分析

不同尺寸对FCBGA元器件焊点可靠性有限元分析薛松柏;张亮;禹胜林;赖忠民;韩宗杰;卢方焱【摘要】采用有限元法对FCBGA器件焊点尺寸和焊点间距进行了优化模拟.研究发现,元器件整体的最大应力集中在阵列最拐角焊点的上表面上,该部位可能成为焊点裂纹的发源地.对焊点最大应力节点进行时间历程处理,发现应力松弛现象严重,且应力值随着温度循环加载具有累积迭加的趋势.焊点优化结果显示,焊点高度对应的应力值曲线具有明显的单调递减特性.模拟的焊点直径值和实际情况吻合,同时发现焊点直径为0.02mm时对应的应力值最小.焊点间距曲线单调性表现为单调递增性,因此,可以根据应力最小的原则来选择焊点尺寸.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2007(021)006【总页数】4页(P13-16)【关键词】有限元;优化模拟;应力松弛;累积迭加【作者】薛松柏;张亮;禹胜林;赖忠民;韩宗杰;卢方焱【作者单位】南京航空航天大学,材料科学与技术学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,江苏,南京,210016;中国电子科技集团,第十四研究所,江苏,南京,210013;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,江苏,南京,210016;江苏科技大学,先进焊接技术省级重点实验室,江苏,镇江,212003;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,江苏,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TG4540 引言随着IT技术的高速发展,电子元器件的组装密度要求越来越高,以满足电子器件微型化的需要。

电子元器件由最早的DIP元件朝着普遍应用的引线器件发展,如QFP、PLCC和TSOP等。

目前较为流行的封装形式如FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array)等,虽然在电子行业的应用还刚刚开始,但由于其可满足高的I/O接口、信号传输可靠性高等特点,正越来越受到重视,所以FCBGA封装的发展潜力很大[1]。

热循环条件下PBGA焊点的可靠性分析与优化

学号：题目类型：论文(设计、论文、报告)桂林理工大学GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科毕业设计(论文) 题目：热循环条件下PBGA焊点的可靠性分析与优化学院：机械与控制工程学院专业(方向)：机械设计制造及其自动化（设计）班级：学生：指导教师：2011年 5 月 30 日桂林理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:本科生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属桂林理工大学。

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口不保密。

同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览;同意将本人学位论文提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社全文出版和编入NKI 《中国知识资源总库》，传播学位论文的全部或部分内容。

(请在以上相应方框内打“了”)作者签名: 日期：指导教师签名: 日期:作者联系电话: 电子邮箱:联系地址(含邮编):II摘要选取焊点高度、焊点直径、引脚间距三个形态结构参数作为关键因素，采用水平正交表L9（34）设计9种不同形态结构参数组合的塑料封装球栅阵列（Plastic Ball Grid Array, PBGA）器件焊点，建立9种PBGA焊点的三维有限元分析模型，并进行热循环条件下的应力应变有限元分析，得到9种不同形态结构参数的PBGA焊点的应力应变数据，针对应力应变数据进行极差分析与方差分析。

电子封装中的焊点及其可靠性

(2)
式中: Ρf 为疲劳强度系数; N f 为疲劳寿命; b 和 c 是实验常数。
对焊点而言, ∃ Εe 远小于 ∃ Εp 以至可以忽略; 从而得到:
N f=
1 2
(
2∃ΕΕfp’)
1 c
(3)
式中: Εf’为疲劳韧性系数; Εf’和பைடு நூலகம்c 均为实验常数。还可根据
获得的实验数据, 对此方程进行修正。
焊点组织的不均匀粗化是应变分布不均匀引起的, 晶粒长大的驱动力是应变能。这种不均匀粗化是温度与应变共同作用
的结果。如果能够找到一个衡量粗化的参数, 那么它也是一个衡量焊点可靠性的重要参数。
3 焊点失效分析
焊点在实际工作过程中的失效过程一般为: 塑性变形→裂纹萌生→裂纹扩展→失效。从焊点实际经受的温度来看, 焊点发生了蠕变变形; 而从器件频繁开关来看, 由于热膨胀系数不匹配, 焊点经受了热循环冲击。因而有学者侧重于从疲劳失效角度建立模型〔6〕, 而另一些学者则侧重于从蠕变失效角度建立模型〔7〕, 也有人认为失效是蠕变和循环的共同作用〔8～ 9〕。
受力状态复杂, 因而焊点内的变形一般都是不均匀的; (3) 由于工作温度高, 焊点组织不稳定, 经常发生变化〔2〕。
因此在进行模型计算时必须进行动态分析, 以实验数据对
模型中的参量进行校正。
针对这种情况, 在热循环过程中测量以及在役测量焊点的
机械性能及其变化规律的方法除了常规的等温低周剪切疲劳
实验外, 很多学者还发展了多种实验方法和技术, 如用双悬臂
关键词: 电子封装; 焊点; 可靠性中图分类号: TN 45 文献标识码: A 文章编号: 100122028 (2000) 0220024203

BGA焊点的缺陷分析与工艺改进

BGA焊点的缺陷分析与工艺改进发表日期：2007-06-08 22:52 提交者：admin电子科学研究院电子电路柔性制造中心北京装联电子工程有限公司李民冯志刚[摘要]：本文将结合实际工作中的一些体会和经验，就BGA焊点的接收标准、缺陷表现及可靠性等问题展开论述，特别对有争议的一种缺陷——空洞进行较为详细透彻的分析，并提出一些改善BGA焊点质量的工艺改进的建议。

BGA器件的应用越来越广泛，现在很多新产品设计时大量地应用这种器件，由于众所周知的原因，BGA焊接后焊点的质量和可靠性如何是令很多设计开发人员、组装加工人员颇为头痛的问题。

由于无法用常规的目视检查BGA焊点的质量，在调试电路板发现故障时，他们经常会怀疑是BGA的焊接质量问题或BGA 本身芯片的原因，那么究竟什么样的BGA焊点是合格的，什么样的缺陷会导致焊点失效或引起可靠性问题呢？本文将就BGA焊点的接收标准、缺陷表现及可靠性等问题展开论述，特别对有争议的一种缺陷——空洞进行较为透彻的分析。

1BGA简介BGA是一种球栅陈列封装的器件，它出现于20世纪90年代初，当时由于有引线封装的器件引脚数越来越多，引线间距越来越小，最小的器件间距已经达到0.3mm（12mil），这对于组装来讲，无论从可制造性或器件焊接的可靠性都已经达到了极限，出错的机会也越来越大。

这时一种新型的球栅阵列封装器件出现了，相对于同样尺寸的QFP器件，BGA能够提供多至几倍的引脚数（对于BGA来讲其芯片下面的焊球就相当于引脚），而引脚的间距还比较大，这对于组装来讲是件好事，可以大幅度地提高焊接合格率和一次成功率。

通常塑料封装的PBGA是应用在通信产品和消费产品上最多的一种器件，它的焊球成分是普通的63Sn/37Pb，共晶焊料。

军品上有时应用陶瓷封装的CBGA 器件，它的焊球是一种高温的10 Pb /90 Sn的非共晶焊料。

随着BGA器件的不断发展，在美国和日本都开发出了更小封装的微型BGA，其封装尺寸只比芯片大不超过20%，一般被称作μBGA（microBGA）或CSP，它们的焊球最小已达到0.3mm(12mil)，焊球间距最小已达到0.5mm(20mil)。