PBGA无铅焊点应力应变数值模拟及寿命预测
无铅焊点寿命预测及IMC对可靠性影响的研究
哈尔滨理工大学硕士学位论文无铅焊点寿命预测及IMC对可靠性影响的研究姓名：姜志忠申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：孙凤莲20070301钎料的呼声越来越高。
最终拥有悠久历史的传统型ＳｎＰｂ钎料，将会逐渐被新的绿色环保型钎料所替代翻。
如无铅汽油的广泛使用就是一个很好的范例。
另一方面，微电子产品焊点尺寸越来越小，引线间距越来越窄，而其所承受的热学、电学及力学载荷却都越来越高，这就要求钎料应具有优良的抗疲劳、蠕变性能，而传统的ＳｎＰｂ钎料抗蠕变性能差，已经不能满足使用要求。
工业界一直致力于无铅钎料的开发工作，准备迎接无铅化带来的挑战１６１。
无铅化技术由于钎料的差异和焊接工艺参数的调整，必不可少的会给焊点可靠性带来一定的影响。
而ＳＭＴ、ＭＣＭ焊点是直接实现异质材料间电气及机械连接，它的质量与可靠性很大程度决定了电子产品的质量１７１。
图１－１电子封装结构与组装中的微连接技术示意图Ｆｉｇ．１－ｌＳ仇ｌｃｔｕｒｅｓｃｈｅｒｏａｆｉｃｏｆＢＧＡ，ｃＳＰｐａｃｋａｇｅａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１．２无铅钎料的研究现状１．２．１无铅钎料的性能要求在无铅焊接组装工艺中，焊接材料的选择是最具挑战性的。
在选择材料时要考虑到焊接元件的类型、线路板的类型，以及它们的表面涂敷状况。
近年来由于ＳＭＴ的普遍应用，在提高电路的组装密度和可靠性方面，对钎料合金提出了更高的要求嘲：（１）合金共晶温度近似于ｓｎ３７Ｐｂ的共晶温度（１８３＂ｃ），且熔化温度区间越小越好。
Ｃ２）无毒或毒性很小。
（３）润湿性能和机械性能良好，焊点要有足够的可靠性。
图１－２ＢＧＡ焊点中不同大小的空洞Ｆｉｇ．１－２ＶａｒｉｏｕｓｓｉｚｅｏｆｖｏｉｄｓｉｎＢＧＡｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓ空洞对ＥＢＧＡ焊点可靠性的影响，并通过非线性有限元分析方法分析不同位置和不同大小的空洞对焊点应力、应变和可靠性的影响，为制定科学的焊点空洞接收标准提供依据。
无铅微焊点热疲劳特性分析及优化
无铅微焊点热疲劳特性分析及优化摘要近年来，人们越来越重视环境污染问题，还有在科技飞速发展的推动下，电子元件的封装采用了无铅焊料进行焊接，而且随着微电子产品向微型化、高性能方向发展，用于连接芯片与基板的微焊点尺寸也缩小到几十微米甚至几微米，目前最小的焊点已经达到十几微米。
然而微焊点所承载的力学、电学和热力学负荷却是越来越重,所以对微焊点的可靠性要求日益提高，但是就现在研究状况来看，人们对无铅微焊点抵抗破坏的能力以及热疲劳特性分析还不是很成熟，而且焊点的无铅化和微型化将是现在以及未来的重点研究方向，所以对无铅微焊点的研究具有重大意义。
本文主要对无铅微焊点的热疲劳特性进行分析研究，选用BGA的球栅阵列是焊点件进行了三维有限元数值模拟分析，选择焊点半径50-100微米之间，以Anand统一粘塑性本构方程描述无铅微焊点的粘塑性行为。
首先，研究微焊点在变化温度循环载荷下微焊点的等效应力和塑性应变的分布规律, 找出实体模型中最大应力和应变的微焊点位置。
其次，分析出最大应力焊点的等效应力周期性变化和应力应变滞后曲线。
最后，选取焊点直径、焊点高度、芯片厚度、PCB厚度四个对无铅微焊点热疲劳特性影响显著的因素进行四因素三水平的正交试验，并进行不同因素、不同数值下的最大应力分析，找出各因素对微焊点应力的影响趋势，找出其影响微焊点应力的主要因素，并对各因素影响大小进行排序，找出应力最小的微焊点尺寸，实现微焊点在结构上的优化。
为人们对电子元件的无铅微焊接封装方法和焊点尺寸的选择提供一些理论参考依据。
关键词：无铅微焊点、热疲劳特性、等效应力、塑性应变、正交试验Analysis and optimization of thermal fatigue properties for thelead free solder jointsStudent：LI Guo-man Teacher: DAI Xuan-junAbstract: In recent years, there is growing emphasis on environmental problems, as well as in promoting the rapid development of technology, electronic packaging using lead-free solder for welding, and with the miniaturization of microelectronics, high-performance direction, with micro size solder connecting the chip and the substrate is also reduced to tens of microns or even a few microns, the smallest solder has reached more than ten microns. However, the mechanical micro bumps carried, electrical and thermal load is getting heavier and heavier, so the reliability of solder joints slightly increasing, but for now study situation, people are lead-free solder resist micro damage capacity and thermal fatigue resistance analysis is not very mature, and lead-free solder and miniaturization will be the focus of current and future research directions, and therefore have great significance for the study of lead-free micro bumps.This paper focuses on the thermal fatigue properties of lead-free solder joints micro analysis and study, the choice of BGA solder ball grid array is a member of the finite element analysis of three-dimensional numerical simulation, choose between a radius of 50-100 micron pads to stick Anand unity plastic constitutive equations describing the micro bumps unleaded viscoplastic behavior. Firstly, micro bumps at varying temperature cycling load distribution of micro bumps equivalent stress and plastic strain to identify micro bumps position mock maximum stress and strain. Secondly, the equivalent stress and the cyclical changes in the solder joint stress maximum stress strain hysteresis curve. Finally, select the pad diameter, pad height, chip thickness, PCB thickness of four pairs of lead-free solder thermal fatigue characteristics of the micro-significant factors were four factors and three levels orthogonal experiment, and different factors under different values The maximum stress analysis to identify the factors on micro bumps stress of trends, identify the main factors which affect the micro bumps stress factors influence the size and sort, identify stress micro bumps the size of the smallest, to achieve micro joints in the structure optimization. For people to provide some theoretical basis for the electronic components and lead-free solder micro-welding method of packaging sizes to choose from.Key words：Micro lead-free solder joints; Thermal fatigue properties;Equivalent stress; Plastic strain;Orthogonal test目次摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 研究的目的和意义 (1)1.2 国内外研究现状及成果 (2)1.3 本文研究的内容 (3)2 相关的理论基础 (4)2.1 热应力与热疲劳理论 (4)2.2 ANSYS14.5热-结构耦合分析方法 (4)2.2.1 ANSYS的简介 (4)2.2.2 ANSYS14.5技术新特性 (4)2.2.3 ANSYS热分析原理 (5)2.2.4 瞬态热分析相关介绍 (5)2.3本章小结 (6)3 BGA 无铅微焊焊点热特性仿真分析 (7)3.1 BGA器件三维实体模型数据准备 (7)3.1.1 选择单元类型 (7)3.1.2 定义材料性能参数和Anand本构方程 (8)3.1.3 三维模型建立与网格划分 (9)3.2施加载荷与求解 (10)3.3后处理与结果分析 (11)3.3.1阵列微焊点的等效应力及等效塑性应变分布 (11)3.3.2温度循环过程中应力应变的动态特性 (12)3.3.3温度循环过程中等效塑性应变的动态特性 (13)3.3.4 无铅微焊点寿命预测 (15)3.4 本章小结 (16)4 无铅微焊点结构优化 (17)4.1 正交实验设计 (17)4.2正交试验结果分析 (18)4.2.1 均值计算及结果分析 (18)4.2.2各因素影响分析 (20)4.2.3 各因素的影响大小及最优尺寸组合 (20)4.3 本章小结 (21)5总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)1 绪论1.1 研究的目的和意义近年来，随着人们的生活水平的提高，对生活环境的要求也越来越高，人们开始高度重视环境污染问题，材料对环境的毒害问题也越来越受到人们的高度重视。
BGA焊点在板级跌落实验中的疲劳寿命估计
封装测试 技术 IC
Package & Test Technology
T Ｓ
Ｎ ｉ ＝ Ｋ １ ∆W K
da dN
2
＝Ｋ３ ∆ W K ⑴
4
其中 Ｋ １ ， Ｋ ２ ， Ｋ ３ 和 Ｋ ４ 是与 失效机理相关的经验常数； Ｎ
ｆ
是失效发生时的循环次
数；Ｎ ｉ 是出现裂纹时的循环
包含结点Ａ焊点的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ等效应变分布示于 图９。 图中显示封装基板焊盘和焊点间界面处的应变 比其他位置的高。应变最大值出现在焊点上表面的 外侧，这与真实的跌落实验的结果匹配得相当好。 这表明失效最有可能在焊点和器件的界面发生。
４ 寿 命 估 计
根据疲劳理论， 疲劳寿命 Ｎ ｆ 可以认为是疲劳裂 纹形成寿命 Ｎ ｉ 和疲劳裂纹传播寿命 Ｎ ｐ 的和。已经 提出了几种模型来描述 Ｎ ｆ ， Ｎ ｉ 或者 Ｎ ｐ 同应变或者 应变能密度之间的关系。 Ｄａｒｖｅａｕｘ模型是一个包含 ４ 个参数、描述失效时的循环次数和每次循环积累 的平均应变能密度之间关系的模型。 Ｄａｒｖｅａｕｘ模型
图 ５ 显示了印刷电路板中心在 Ｘ 方向的应力达 到最大时，印刷电路板在 Ｘ 方向的应力分布和 ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ 等效应力分布。可以发现分布不是均匀的， 在两肋应力最小，中心的应力更高。 然后对整个样品的一半进行建模。焊球材料 的材料模型是应变率相关的双线性动力学固体； 印刷电路板是正交各向异性线弹性固体；其他材 料 是 各 向 同 性 线 弹 性 固 体 。焊 点 的 网 格 划 分 较 细，其他部分的网格划分稍粗，以获得足够的模 拟 精 度 和 可 以 接 受 的 计 算 时 间 （图 ６ ） 。在对称 面的节点上设置了对称的边界条件。碰撞发生时 模型的初速度通过设置的跌落高度来计算。 实验时 434 半导体技术第 ３１ 卷第 ６ 期
无铅BGA焊点的疲劳寿命评估技术研究
无铅BGA焊点的疲劳寿命评估技术研究在热循环过程中，焊点受到芯片端和PCB端各组件及本身热膨胀不匹配效应的影响，局部位置会产生大的应力应变，过度疲劳后会有裂纹产生并且扩展直至断裂，引起焊点失效。
利用有限元分析工具对焊点进行建模仿真，得出应力应变的分布状态、时间历程及迟滞回线，可以理解焊点的热循环疲劳过程，根据相关的疲劳寿命预测准则，可以对焊点的寿命进行评价，从而指导焊点的可靠性设计。
这种方法是现代微电子封装领域内经常使用的手段，它可以在工艺制作完成前对焊点的疲劳寿命作出前瞻性地预测。
本文针对无铅焊料Sn．3．5Ag的BGA焊点进行了有限元模拟仿真的研究，主要内容及成果如下：1．利用有限元分析工具ANSYS建立了PBGA封装的1／4组件模型，并采用统一的粘塑性Anand本构方程来描述焊点的力学行为，之后对模型施加一定约束条件并加载温度循环载荷经ANSYS求解器计算，提取其计算结果来研究焊点的疲劳性能；考虑到热循环过程中焊点所受的复杂应力情况，依照第四强度理论，提取von Mises应力应变作为研究对象，同时将第三强度理论要求的最大剪切应力应变也作为研究对象来与第四强度理论的分析结果进行对比。
2．研究显示：随着温度循环载·荷的施加，焊点阵列会产生不均匀的应力应变分布，局部位置会产生应力集中和大的塑性应变，考虑此两方面的因素，得知阵列的内侧焊点为疲劳失效最易首先发生的所在；进一步分析了这些疲劳失效点处的应力和应变的时间历程和相应的迟滞回线，从分析中得知随循环时间的增加，应力变化比较平稳，但在高温保持段的两侧出现了大的瞬间波动；而塑性应变有明显增大的趋势，从迟滞回线的分析中得知随着循环次数的增加，回线会逐渐趋于平稳，这是疲劳失效的显著特征。
3．建立了带空洞的BGA返修台焊点模型，并对其进行有限元分析。
通过研究得出：中心空洞的存在对焊点的底部和项部的高应力区向焊点内部的延伸有阻碍作用，但若空洞和焊点的截面积比超过20％，高的应力会出现在空洞内部靠近焊点顶部的位置；若空洞位于无空洞的模型分析里焊点本身的高应力区(焊点顶部)，会使应力分布发生很大的改变，在降低了空洞所在焊点处应力应变的同时，原本的高应力区已经扩散进入空洞区域，随着空洞尺寸的增大，扩散区会越来越大；若空洞位于无空洞的模型分析里焊点本身的低应力区(焊点底部)，同样会对原本的应力分布产生大的影响，使高应力区的范围向焊点内部延伸，但此位置空洞的尺寸对应力分布的改变作用不大；不论空洞出现在高应力区，还是低应力区，都使得阵列中原本存在最大应力和最大塑性应变的点从空洞所在的焊点处转移到了别的与此焊点受力完全不同的焊点上，这体现了存在空洞的焊点表现出的与完整无空洞的焊点在力学性能上的区别；最后，通过对带空洞的焊点进行寿命评估，得出不论空洞存在于焊点中的哪个部位，都会使整个组件的寿命下降。
基于比例风险模型的板级无铅焊点跌落寿命分析
（ ｔ ｅＫ ｙＬ ｂｒｔ ｙｏ Ｍｅｈｎ ａ Ｓｓ ｍ ａｄＶｂａｏ ， ｈｎｈ ｉ ｉ ｔ ｇＵ ｉｅ ｉ ， ｈｎｈ ｉ ０２ ０ Ｃ ｉａ Ｓ ｔ ｅ ａｏａ ｒ ｆ ｃａｉ ｌ ｙｔ ｎ ｉｒ ｉ Ｓ ａｇａ Ｊ ｏ ｎ ｎｖｒ ｔ Ｓａ ｇａ ２０ ４ ， ｈｎ ） ａ ｏ ｃ ｅ ｔｎ ａｏ ｓｙ
Ｋｅ ｒ ｓ： ｄ ｏ ｅｇ ｔ ｒ ｐ ｒｉｎ ｌｈ ｚ ｒ ｓ ｍｏ ｅ ；ｍｅ ｎ－ｉ —ｏ ｆ ｉ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ｒ ｐ ｈ ｉｈ ；ｐ ｏ ｏ ｔｏ ａ ａ ａ ｄ ｄ ｌ ａ ｔｍｅ ｔ —ａｌ ｅ；ｍｉ ｅ ＇ ｌｗ ｕ ｎ ｒｓ ａ
随着 手提式 、 便携 式 电子 产 品的 广泛使 用 ， 朝着 并 多用途 、 功 能 化 发 展 ， 得 电子 封 装 设 计 趋 向高 密 多 使
振 第３ Ｏ卷第 ３期
动
与
冲
击
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡ ＯＮ ＴＩ ＡＮＤ ＨＯＣ Ｓ Ｋ
基 于 比例 风 险模 型 的板 级无 铅焊 点跌 落 寿命分 析
王 文 ，孟 光 ，刘 芳 ，尤 明懿
２０ ４ ） ０ ２０
（ 上海 交 通 大 学 机 械 系 统 与 振 动 国家 重 点 实 验 室 ， 海 上
Ａｂｔａ ｔ ｓ ｃ： ｒ
Ｔ ｒｅ ｇｏｐ ｆｄｏ ｍ ａｔｔ ｔ ｆｒｓｌｅ ｏ ｔ ｗ ｒ ｃｎ ｕｔｄ ｗｔ ｄ ｆ ｅ ｔｄｏ ｅ ｈｓ ｈｅ ｒｕ ｓ ｏ ｒｐ ｉ ｐｃ ｅ ｓ ｏ ｏ ｒｊ ｎｓ ｅｅ ｏ ｄ ｃ ｉ ｉｅ ｎ ｒｐ ｈ ｉ ｔ ｓ ｄ ｉ ｅ ｈ ｆｒ ｇ ．
PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究的开题报告
PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究的开题报告题目：PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究一、选题的意义和背景现在随着电子产品的普及，不同种类的电路板不断涌现，而PBGA（Plastic Ball Grid Array）是一种常见的电路封装技术，它采用芯片直接焊接在底板上，具有密集、高速、高稳定性等优点，被广泛应用于通信、消费电子、航天等领域。
然而，由于PBGA的小型化和高密度，焊点遇到的热应力很大，长期在高温环境下使用可能导致焊点开裂或剥离，这就需要对PBGA焊点热疲劳寿命进行预测和优化设计。
二、研究内容和方法研究内容主要包括PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测。
在焊接过程中，焊点形态直接影响焊点的质量和寿命，因此需要通过有限元模拟等方法，对焊点形态进行虚拟，优化焊接工艺参数，提高焊点质量。
同时，PBGA焊点在高温环境下会遇到热膨胀和收缩，导致应力的积累和变化，需要通过有限元模拟、热疲劳试验等手段，对焊点的热疲劳寿命进行预测和分析，从而实现优化设计和可靠性评估。
三、预期研究结果和意义预期通过PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究，可以提高PBGA焊接质量和可靠性，为电子产品设计和制造提供技术支持。
同时，也可以为相关企业提供有针对性的技术方案，促进其技术创新和市场竞争力的提高。
四、存在的问题和解决方案PBGA焊点热疲劳寿命预测研究中存在以下问题：1）有限元模拟结果的准确性和可靠性需要进一步验证；2）焊点形态虚拟需要考虑不同工艺参数和材料的影响，增加模型的复杂度和难度；3）热疲劳试验需要消耗大量时间和物力。
针对这些问题，可以采取以下解决方案：1）与实际试验结果进行对比和分析，优化模型和参数；2）结合实际焊接工艺和材料特性，建立激光焊接模型；3）开展计算机模拟试验，提高效率和可控性。
总之，本研究旨在通过PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究，为电子产品加工和制造领域提供技术支持，实现优化设计和可靠性评估。
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。
PBGA封装SAC405互连焊点热疲劳寿命预测
显著变化 ，因此必须考 虑温度对材料本构模 型 的影 响。 在 热 循 环 载 荷 条 件 下 ．焊 点 主 要 发 生 与 时 间无
关 的 塑性 变 形 和 与 时 间有 关 的蠕 变 变 形 ．选 取 统 一 粘 塑性 本 构方 程 能够 较 准确 地 描述 焊 点 的力 学 行 为 。
． Ｊ）， 赠
踮∞柏加０ 枷珈
时 间／ｍｉｎ 圈 ３ 热 循 环 加 载 曲线
２ 边界 条 件与 加载 在 对 称 面 上 施 加 对 称 边 界 条 件 ． 同 时为 避 免 整
个 ＰＢＧＡ封 装一ＰＣＢ板组 合 体 结构 发 生 刚体 位 移 ．约 束 ＰＣＢ板 底 面 中心点 的所 有 自由度
为 研 究 不 同高 低 温 保 温 时 间对 ＰＢＧＡ 焊 点 疲 劳 寿命 的影 响 ，采 用 高低 温 保 温 时 间分 别 为 １０，ｌ５， ２０ ｍｉｎ的 ３种 载 荷 工 况 同 时 ，３种 载 荷 工 况 的温 度 变 化 范 围均 为 一５５ １２５ ｏＣ．升 温 和 降 温 时 间均 为
符 号 Ａ
Ｑ／Ｒ
‰ ５０
表 １ ＳＡＣ４０５焊 点 Ａｎａｎｄ模 型 参 数
单位 １／ｓ
ＳＡＣ４０５ ５００
Ｋ
９ ｏｏＯ
７．１
０－３
ＭＰａ
３９．４
Ｏ．Ｏ３
ＭＰａ
５ ９００
ＭＰａ
１．４ １－３
组 装 ＰＢＧＡ 封装 一ＰＣＢ板 时 ．在 １７５ ｃＣ的温 度下 用 芯 片 粘 结 剂 将 芯 片 固定 在 基板 上 ．然 后 在 该 温 度 下 用 塑 封 材 料 将 芯 片 密 封 起 来 ．因 此 ＰＢＧＡ 封 装 一 ＰＣＢ板 中 除 焊盘 、焊 点 和 ＰＣＢ板外 ．其 余 材 料 的应 力 自由温度 均 是 １７５℃ ；而焊 盘 、焊 点 和 ＰＣＢ板 的 应 力 自由温 度是 焊 点 的熔 化 温度 ２１７℃
PBGA无铅焊点可靠性的有限元模拟与寿命预测的开题报告
PBGA无铅焊点可靠性的有限元模拟与寿命预测的开题报告一、选题背景随着电子产品的日益普及，新型封装技术被广泛应用于IC封装中。
其中，PBGA （plastic ball grid array）是一种常见的封装技术，其特点是焊接在PCB上，并使用小球形接点连接芯片和PCB。
PBGA封装技术成为高性能和高密度电路板的理想选择，同时也是未来新一代高性能电子设备的发展趋势之一。
但与此同时，PBGA无铅焊点的可靠性问题日益凸显，其会影响电子产品的可靠性，增加了维修成本和不良率。
因此，对PBGA无铅焊点的可靠性研究具有重要意义。
二、研究目的本文旨在通过有限元模拟方法对PBGA无铅焊点的可靠性进行研究，同时对其寿命进行预测，为相关领域的工程师提供设计、优化和检验的理论与实践参考。
三、研究内容1. PBGA无铅焊点的无机材料及工艺。
2. 针对PBGA无铅焊点的材料性能和失效机理进行分析和论述。
3. 基于ANSYS和ABAQUS有限元软件，建立PBGA无铅焊点的三维有限元模型，分析其应力变化和变形情况，分析焊点疲劳失效过程。
4. 根据研究结果，对PBGA无铅焊点的可靠性进行分析和评估。
5. 结合实验结果，预测PBGA焊点的使用寿命，并确定最适合的设计方案。
四、预期结果通过有限元模拟和寿命预测方法，可以对PBGA无铅焊点的可靠性进行研究和评估，并提出专业的设计优化方案，提高产品的可靠性和性能，为工程师提供参考和指导，促进PBGA封装技术的发展。
五、研究方法本文将采用有限元模拟和寿命预测方法，结合适当的实验验证，完成对PBGA无铅焊点的可靠性研究。
有限元模拟方法可以得到焊点应力和变形的准确分布情况，而寿命预测则可用于预测PBGA焊点的使用寿命，实验可以验证研究结果的准确性。
PBGA无铅焊点应力应变数值模拟及寿命预测
1 有限元模型的建立
111 PBGA 简化结构模型 本文以 Amkor公司的封装型号为 PB GA121—
1127～15mm 的 PBGA 器件作为有限元计算的实体 模型 ,为简化问题的求解 ,忽略器件本身内部结构对 本文计算结果的影响 ,采用简化模型 ,该模型中包 括 : PCB ( FR - 4) 、B T树脂基板 、焊球阵列 、Cu焊盘 、 Si芯片 、模压树脂六层结构. 其中焊球阵列为 11 × 11,焊球半径 0176mm ,焊点高度为 0152mm ,焊点间 距为 1127 mm;封装尺寸为 15 ×15mm;芯片尺寸为 4 ×4 ×015mm;整个封装体高度为 2105 mm;焊盘厚 度为 35um ,直径为 0165mm ,由于该 PB GA 封装结构 的高度对称性 ,对 1 /8 实体模型进行网格划分并计 算 ,这样即可以有效减少计算量 ,求解结果又不失准 确性 ,图 1 为 1 /8 PB GA 简化结构模型示意图.
J IAN G Z h i2zhong, SUN Feng2lian, WAN G L i2feng, L IU Yang
(Material Science & Engineering College, Harbin Univ. Sci. Tech. , Harbin 150040, China)
摘 要 : 本文对焊点材料为 Sn318Ag017Cu的 PBGA 封装器件进行了 3 - 维有限元数值模拟. 以 Aand统一粘塑性本构方程描述无铅焊点的粘塑性行为 ,研究了在温度循环载荷下焊点阵列等 效应力和塑性应变的分布规律 ,找出了实体模型中最大应力和应变的焊点位置 ;分析了最大应变焊 点的等效应力周期性变化和等效塑性应变累积的动特性曲线 ;基于 M anson - Coffin焊点疲劳寿命 模型 ,对关键焊点进行了寿命预测 ,疲劳寿命值为 31851 ×103循环周期.
SnAgCu-nano Al钎料Anand本构关系及焊点可靠性
SnAgCu-nano Al钎料Anand本构关系及焊点可靠性张亮;韩继光;郭永环;何成文【摘要】In this paper, the constitutive relation of SnAgCu-nano Al is investigated and the constitutive model is used in the finite element simulation to analyze the stress-strain response in FCBGA devices. The results show that the nine parameters of the Anand model can be fitted based on nonlinear data fitting method with different temperature and strain rate. Combining Anand model, the stress-strain response of solder joints is calculated by using the finite element method, and it is found that the distribution of stress-strain of solder joints in FCBGA device can be affected by the solder joints array, i.e., the maximum stress-strain concentrates in the concern solder joints. The results also demonstratethat the stress-strain of SnAgCu-nano Al solder joints is lower than that of SnAgCu solder joints, which implies that the addition of nano Al particles can enhance the reliability of SnAgCu solder joints.%研究了含纳米0.1 wt.%Al颗粒SnAgCu无铅钎料Anand本构关系，将本构关系应用于有限元模拟，分析FCBGA器件SnAgCu-nano Al焊点的应力-应变响应。
回流焊工艺中PBGA焊点失效研究
回流焊工艺中PBGA焊点失效研究郭瑜;孙志礼;刘明贺【摘要】在PGBA封装中,焊点不仅提供机械支撑、电传导和热传导等作用,同时承受着电子设备的高温运行中,频繁的受热、机械、电载荷作用.因此,考虑到焊点质量直接关系到PGBA产品在实际应用中的可靠性,采用有限元方法研究了PBGA焊点在回流焊工艺中热应力、应变的分布规律,确定最大应力、应变位置,进而预测PBGA焊点结构失效危险点.结果表明,PBGA焊点最大应力、应变均出现在焊点与BGA、PCB连接面拐角位置,由此可知,PBGA拐角处焊点为结构失效危险点.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】4页(P203-205,209)【关键词】回流焊;PBGA;焊点;应力场;应变场;失效【作者】郭瑜;孙志礼;刘明贺【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TH16;TN411 引言球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）是指在电子器件底部以球形栅格阵列作为I/O引出端的封装形式，是目前广泛应用的一种封装形式[1]。
它具有封装面积小、引脚数目多、可靠性高、电性能好，整体成本低等特点。
目前主流的BGA产品有塑料焊球阵列封装（PBGA）和陶瓷焊球阵列封装（CBGA）。
PBGA以较低的价格成为应用于民用电子产品的主要封装形式[2-3]。
作为印制电路板组件（PrintedCircuitBoardAssembly，PCBA）加工的关键步骤，回流焊工艺决定着PBGA的最终质量及可靠性。
其产品的设计、焊膏印刷及元件贴装等过程产生的缺陷，最终都集中反映在回流焊工艺中，因此回流焊在生产中占有举足轻重的地位[4-5]。
回流炉通常有（6～12）个加热炉区和（1～2）个冷却炉区组成，通过对每个温区设置不同的温度，使焊膏充分融化再重新黏结，以实现元件与基板的连接。
电子封装焊点可靠性及寿命预测方法
电子封装焊点可靠性及寿命预测方法ΞRE LIABI LITY AN D LIFE PREDICTION METH ODOLOGIES FOR SOLDER JOINTS OF E L ECTRONIC PACKAGES李晓延ΞΞ 严永长(北京工业大学材料学院,北京100022)LI X iao Y an Y AN Y ongChang(School o f Materials Science and Engineering,Beijing Univer sity o f Technology,Beijing100022,China)摘要 高功率、高密度、小型化是现代电子封装结构的基本特征,软焊料是电子封装中应用最广的连接材料,一个焊点的破坏往往导致整个封装结构的失效。
软钎料的无铅化是目前发展的重要趋势。
针对目前所开发的无铅焊料,文中介绍电子封装结构中焊点的破坏行为和焊点寿命预测的基本方法。
关键词 电子封装 无铅焊料 寿命预测中图分类号 TG407Abstract High power,high density and miniaturization are the basic characteristics of m odern electronic packages.S olders,as the im portant materials for microjoining and interconnection,play a fundamental role in the assembly of the devices.H owever,the fail2 ure of one s oldered joint is frequently found to be the origin of the failure of the whole package.The phase out of lead is the major target of next generation s olders.Based on the review of the developed Pb2free s olders and their applications,the failure behavior and the life prediction methodologies for Pb2free s older joints were presented and discussed.K ey w ords E lectronic p ack age;Pb2free solders;Life predictionCorresponding author:LI XiaoYan,E2mail:xyli@The project supported by the National Natural Science F oundation of China(N o.50475043),the Nature Science F oundation of Bei2 jing(N o.2052006)and the S pecialized Research Fund for the D octoral Program of Higher Education of China(N o.20040005012).Manuscript received20050301,in revised form20050423.1 引言微电子技术是发展现代电子信息技术的基础。
无铅微焊点焊接残余应力仿真分析
无铅微焊点焊接残余应力仿真分析摘要快速发展的微电子产业，使得焊点几何尺寸由毫米级缩小到微米级，电子组装也正朝着高密度和高可靠性的方向发展。
但是各芯片和基板在经过回流焊后，各个芯片、焊点与基板的热膨胀系数不同，由于热膨胀系数的不匹配会导致各个零件之间产生约束，相互制约，不能自由的伸缩，各零件就会产生不同的热应力，这些热应力可能会导致焊点的失效，所以残余应力的分析是提高焊点可靠性的基础。
本文利用ANSYS有限元分析软件对QFP芯片与电路板在回流焊后焊点在残余应力方面进行了研究。
首先通过ANSYS分析软件的热应力线性耦合原理，计算出焊点的最大应力，然后研究焊点高度、引脚间距、对流系数、冷却时间这四个因素对无铅焊接焊点应力的影响，通过建立四因素四水平的正交表，求出各试验的最大应力，利用极差分析的方法，得出各因素对回流焊残余应力的影响程度和影响顺序。
分析所得到的结果为QFP芯片与电路板在回流焊后焊点残余应力方面提供了理论依据，也为在无铅焊接的工艺参数选择方面提供理论指导，具有一定的工程应用价值。
关键词：回流焊；无铅焊接；残余应力；仿真分析simulation analysis of micro lead-free solder welding residual stress Abstract：The rapid development of the microelectronics industry, so that the solder joint geometry millimeter down to the micron level, the electronics assembly is also moving in the direction of high density and high reliability development. However, in each chip and the substrate after reflow, each chip, a thermal expansion coefficient different from the substrate pads, because of the mismatch in thermal expansion coefficient between the various constraints can result in part, mutual restraint, not free to stretch, the parts will produce different thermal stresses, these thermal stresses can lead to failure of solder joints, so the residual stress analysis is to improve the basic solder Joint Reliability.This paper, by using ANSYS finite element analysis software of QFP chips and circuit board after reflow solder joints in the aspect of residual stress were studied. Firstly,using thermal stress linear coupling principle of ANSYS analysis software to calculate the maximum stress of solder joints，then study the effect of lead-free solder joints stress by Joint height, pitch, convection coefficient, cooling time,through the establishment of the four factors and four levels orthogonal table, find the maximum stress of each test,the use of poor analysis, obtained the degree of Impact and affect the order of reflow residual stress of each factor. Analysis of the resulting QFP chip and circuit board to provide residual stress after reflow solder respect a theoretical basis, but also provides the theoretical aspects of the process parameters of lead-free solder as a guide, with some engineering application value.Key words：Reflow; lead-free solder; residual stress; simulation目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 研究的目的和意义 (1)1.2 相关技术概述 (1)1.2.1 电子组装中焊点的微型化 (1)1.2.2 无铅焊料 (1)1.2.3 QFP封装 (2)1.3 无铅微焊点焊接残余应力的研究现状 (3)1.4 研究内容 (4)2 相关的理论基础 (5)2.1 热传递的基本方式 (5)2.2 热应力理论 (6)2.3 正交试验法的原理 (7)2.4 ANSYS14.5热分析的方法 (7)2.4.1 ANSYS14.5简介 (8)2.4.2 ANSYS热应力分析原理 (8)3 无铅微焊点焊接残余应力的仿真分析 (10)3.1 QFP三维实体有限元模型的建立 (10)3.1.1 几何建模 (10)3.1.2 定义单元类型 (11)3.1.3 定义材料属性 (11)3.1.4 划分网格 (12)3.2 施加载荷与约束 (13)3.3 求解与后处理 (13)3.4 QFP组件的热应力耦合分析 (15)3.4.1 施加载荷和约束 (15)3.4.2 求解和后处理 (15)4 基于正交试验的QFP焊接残余应力分析 (17)4.1 QFP焊点残余应力仿真分析的正交试验设计 (17)4.1.1 试验目的 (17)4.1.2 试验内容 (17)4.2 数据有效性与一致性分析 (18)4.3 极差分析 (19)4.3.1 焊点高度对QFP焊点最大应力值的影响 (20)4.3.2 引脚间距对QFP焊点最大应力值的影响 (21)4.3.3 对流系数对QFP焊点最大应力值的影响 (22)4.3.4 冷却时间对QFP焊点最大应力值的影响 (22)4.3.3 各因素的影响顺序 (23)5 结论 (24)致谢 (25)参考文献 (26)1 绪论1.1 研究的目的和意义电子技术的迅速发展，使得电子产品朝着微型化、高密度的方向发展，继而催生出了多种封装形式，如QFP，BGA，CSP，PGA，DIP，MCM等，这些都是电子技术快速发展的产物。
无铅焊点寿命预测及IMC对可靠性影响的研究的开题报告
无铅焊点寿命预测及IMC对可靠性影响的研究的开题报告一、研究背景与意义随着电子产品的不断发展，焊接技术也在不断地更新和发展。
无铅焊接技术由于其环保和可靠性在工业中得到了广泛的应用。
然而，由于其独有的焊接工艺和组织结构，无铅焊点的可靠性和寿命成为了焊接专业研究的重点。
本课题围绕无铅焊点寿命预测和IMC（Intermetallic Compounds，互金属化合物）对可靠性的影响进行研究，旨在深入了解无铅焊点的性质和特点，并为无铅焊点寿命预测和设计提供理论和技术支持。
二、研究目标和内容本研究的目标是通过对无铅焊点IMC组织、力学性能以及与焊接条件和设计相关因素的关系进行详细分析和研究，提出一种可靠的无铅焊点寿命预测模型，并探究IMC是否会对无铅焊点的可靠性和寿命产生影响。
具体研究内容包括：1.对无铅焊点的组织结构和IMC形成机理进行分析和研究。
2.利用拉伸实验和压缩实验对无铅焊点的力学性能进行测试，得到其本构模型。
3.通过实验研究无铅焊点的寿命，探讨IMC对无铅焊点的可靠性影响。
4.基于组织结构和力学特性提出一种无铅焊点寿命预测模型。
三、研究方法和技术路线1.样品制备：采用SMT（表面贴装技术）工艺制备无铅焊点样品，并对焊点进行清洗和预处理。
2.实验测试：通过金相显微镜、扫描电镜、拉伸实验、压缩实验等对无铅焊点和IMC进行分析和测试。
3.数据处理：根据实验结果进行数据处理和分析，得到无铅焊点的组织结构、力学特性等性能数据。
4.寿命预测：根据组织结构和力学特性，从微观层面出发，建立基于焊点物理性质的无铅焊点寿命预测模型。
四、研究预期结果及应用价值本研究将通过对无铅焊点IMC组织、力学性能和寿命的分析，建立了一种基于焊点物理性质的无铅焊点寿命预测模型。
此模型将为无铅焊点的设计和制造提供理论和技术支持。
同时，在实践中为提高无铅焊点的可靠性和寿命、保障电子产品的工作稳定性和安全性提供了有益的参考。
PCBA焊点可靠性预测
PCBA焊点可靠性预测一、预测焊点的可靠性焊接点的疲劳寿命预测对电子封装的可靠性评估是关键的。
在微电子工业中预测失效循环次数的标准方法是基于使用通过试验得出的经验关系式。
如果使用一个分析方法，通过都是使用诸如Coffin-Manson(C-M)这样的经验曲线。
通常，使用接合元件之间的CTE差别，计算出焊接点内最大的预测弹性与塑性应力。
大多数时间，使用塑性应变值，是用C-M曲线来预测焊接点的疲劳寿命。
通过研究者已经显示，这个方法对BGA封装所产生的结果是保守的。
例如，Zhao et al.已经从冶金学上证明，C-M方法不能用于微结构进化的材料，如锡铅焊锡合金1,2。
其理由是C-M方法没有考虑在疲劳期间材料特性的任何变化。
C-M方法假设，在每一个热循环中所经历的塑性应变在整个热循环过程中是保持不变的。
事实上，焊接点所经历的实际塑性应变在每个循环都由于微结构变粗糙而减少。
因此，C-M方法大大地低估了焊接点的疲劳寿命。
在本研究中使用一个损伤进化函数来量化焊接点的退化。
损伤进化函数是基于热力学的第二定律，并使用熵作为损伤度量。
Basaran 和Yan已经证明，作为一个系统失调度量的熵可用作固体力学的损伤度量标准3。
损伤进化结合到一个统一的粘塑结构模型中(在下面描述)，用来描述在热机负载下焊接点的循环疲劳特性。
二、构造模型试验结果显示，相对于懦变或粘塑应变，塑性应变对低循环疲劳寿命的影响是可能忽略的。
依赖时间的懦变形支配着焊接点的低循环疲劳寿命1,2。
这是因为共晶与近共晶焊锡合金一般预计由于其低熔点(183°C)在高同系温度下工作。
在高同系温度下，材料经历很大的懦性变形。
因此一个热粘塑结构模型对于建立焊接性能模型是必要的。
为了建立近共晶焊锡的第一、第二和第三懦变阶段模型，需要懦变率函数。
在高同系温度下的大多数金属与合金的稳定状态塑性变形的动力学可用Dorn懦变方程来描述4。
Kashyap与Murty已经从实验上证明，颗粒大小可以重大影响锡铅焊锡合金的懦变特性5。
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传统 电子组装焊点材料为 ＳＰ ｎｂ共晶焊料 ， 以其 优异 的工艺性能和可靠性好等特点而作为封装器件 与印刷电路板标准材料． 但近几年来 由于环保 的要 求呼声越来越高 ， 近几年来无铅焊料迅速发展起来 ， 最常 用 的 是 ＳＡ Ｃ ｎ ｇ ｕ系 列 合 金 焊 料 ， 因此 对 于 ＳＡ Ｃ 系列合 金 焊点 的可靠 性是 大家 研究 的热 ｎ ｇｕ 点［ ＿ ２ 】
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中图分 类号 ： Ｇ ５ Ｔ ４４ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：１０ － ６ ３ ２ ０ ）３ ０ ５ － ４ ０７ ２ ８ （０ ７ ０ － １６ ０
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姜 志忠 ， 孙凤莲 ， 王丽风 ， 刘 洋
（ 哈尔滨理工 大学 材 料科 学与－ 程学院 ， Ｅ 黑龙江 哈尔滨 １０ ４ ） ５ ０ ０
摘 要： 本文对焊点材料为 Ｓ３ ８ ｇ．Ｃ ｎ ．Ａ ｏ ７ ｕ的 Ｐ Ｇ Ｂ Ａ封装器件进行 了３一 维有 限元数值模拟． 以 Ａｎ ａｄ统一 粘塑性 本 构方程 描 述无 铅 焊 点 的粘 塑 性行 为 ， 究 了在 温度 循 环 载 荷 下焊 点 阵 列等 研
效 应力和 塑性 应 变的分 布规 律 ， 出了 实体模 型 中最 大应 力和 应 变的焊 点位 置 ； 找 分析 了最 大应 变焊 点的等 效应 力周期 性 变化 和等 效 塑性 应 变累积 的动 特 性 曲 线 ； 于 Ｍａｓｎ—Ｃｆｎ焊 点疲 劳 寿命 基 ｎｏ ｏ ｉ
பைடு நூலகம்
模型， 对关键焊点进行 了寿命预测 ， 疲劳寿命值为 ３８ １ ．５ １ 循环周期． Ｘ０ 关键 词 ：Ｂ Ａ； 值模 拟 ；无铅焊 料 ； ＰＧ 数 温度循 环 ； 劳寿命 疲
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电子器 件在 服 役过 程 中 ， 路 的 周期 性 通 断 和 电 环境 温度 的周期 性变化 ， 焊点 经 受温 度循 环过 程 ， 使
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第ｌ ２卷
第 ３期
哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＨＡＲＢ Ｎ ＵＮＩ Ｉ Ｖ．Ｓ ．＆ Ｔ ＣＨ． ＣＩ Ｅ
Ｖ０．１ Ｎｏ ３ １ ２ ．
２０ ０ ７年 ６月
Ｊｎ ， ０ ７ ｕ ．２０
Ｐ ＧＡ 无铅 焊 点 应 力应 变 数值 模 拟 及 寿命 预 测 Ｂ