FlipChip焊点振动疲劳寿命预测模型_王红芳

第 12 期
王红芳, 等: F lip Ch ip 焊点振动疲劳寿命预测模型
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当 D v 超过一临界值, 判为失效. 若芯片在 PCB 上的位置不同, 则芯片关键B GA 焊点的 D v不一样, 这与 PCB 的模态以及在激励作用下位于 PCB 不同 位置的芯片所经历的变形有关.
4 Fl ip Ch ip 焊点的热疲劳寿命和振 动疲劳寿命比较
利用式 (3) 计算 Ε, 代入式 (2) , 求得焊点在某应
激 励 ( 其 激 励 谱 均 方 根 值 为 (650- 10) ×1 = 25. 3 g) , 求倒装焊封装体系模型各点处的绝对响应 功率谱密度.
把角端超单元顶、底节点的 12 条绝对位移响应 功率谱密度曲线下的面积平方根值, 静态作用于角 端焊点有限元模型, 计算角端焊点的应变, 应变分布 如图 3 所示. 应变量在焊点的顶部区域最大; 底部区 域其次; 焊点中部最小. 由此可以推断, 在振动致使
第 35 卷 第 12 期 2001 年 12 月
上海交通大学学报
JOU RNAL O F SHAN GHA I J IAO TON G U N IV ER S IT Y
文章编号: 100622467 (2001) 1221855203
V o l. 35 N o. 12 D ec. 2001
超单元, 并求得超单元的 12×12 降阶刚度和质量矩 阵. 再运用有限元法中单元矩阵组装成总矩阵的对 号入座方法, 把各超单元组装到总矩阵中. 1. 4 倒装焊封装体系三维有限元模型
倒装焊封装体系的三维有限元模型如图 2 所 示. 共 有 48 个 超 单 元 M A TR IX 50 和 1 118 个 SH ELL 63 单元, 1 268 个节点. 约束条件为两条对 边固定约束.
利用M iner’s 疲劳损伤累积规则, 可求得
D total = D th + D v = 0. 007 995 5 故振动疲劳而引起的损伤累积所占比例为
D v ≈ D total 4. 526% 由上式可知, 在此算例中振动疲劳损伤占一定
Ε= 0. 002 197 5N - 0. 12
(2)
该模型基于前人的高周疲劳测试数据和M an2
son 提出的经验高周疲劳关系式, 结合三带技术[7]
和有限元数值分析得到的焊点等效应变, 预测 F lip
Ch ip 焊点的振动疲劳寿命.
利用V o in2M ises 关系式, 求局部有限元模型中
力 应变水平下的振动疲劳寿命. 再利用三带技术预 测随机振动下的疲劳寿命. 由随机理论可知, 1Ρ、2Ρ、 3Ρ 应变水平分别在 68. 31%、27. 1% 和 4. 33% 时间 内出现, 所以 1Ρ、2Ρ、3Ρ 应变水平下的焊点振动疲劳 寿命为
Εi =
0.
002
197
5N
i
0. 12 i =
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上 海 交 通 大 学 学 报
第 35 卷
图 1 F lip Ch ip 焊点三维局部有限元模型 F ig. 1 FEM of the F lip Ch ip so lder jo in t
图 3 关键角端焊点的应变分布图 F ig. 3 Stra in distribu tion of the critica l
co rner so lder jo in t
布, 初步列出振动疲劳寿命模型为
Ε=
∃2Ε=
3.
5S 2E
uN
-
0.
12
(1)
式中: Ε为应变幅值; ∃ Ε为总应变范围; S u 为最终拉 伸强度, 对于共晶焊料为 37. 9 kPa; E 为弹性模量, 对于共晶焊料为 33. 3 M Pa[4]; N 为疲劳循环次数. 所以, 式 (1) 又可表示为
每个单元的等效应变幅值为
Ε=
2 3
(Εx -
Εy ) 2 + (Εy -
Εz ) 2 +
图 2 倒装焊封装体系三维有限元模型 F ig. 2 32D FEM of the F lip Ch ip p ackaging system
2 Fl ip Ch ip 焊点应力 应变分析
(Εz -
Εx ) 2 +
从焊点失效机制出发, 基于焊点中应力 应变分
n3=
0.
043
3N
+ 0
T
利用M in ter’s 累计损伤规则, 可得累计损伤因子
D v = n1 N 1 + n2 N 2 + n3 N 3
(5)
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3 2
(
Χ2 xy
+
Χ2 yz
+
Χ2 zx
)
12
(3)
式中: Χx y = 2Εx y , Χyz = 2Εyz , Χzx = 2Εzx; Εi ( i = x , y , z )、
Χij (i≠j; i, j = x , y , z ) 为每个单元内的正、剪应变.
在倒装焊封装体系的固定边界处进行随机基础
利用热和振动共同作用下的焊点综合疲劳损伤
估计关系式[5], 求解两种环境因素共同作用下的疲 劳损伤因子:
D to tal = D th + D v
(6)
文献[ 6 ]对 D 型 F lip Ch ip 芯片进行了热循环
加速疲劳实验, 温度范围: - 55～ 125°C, 循环周期
1 h 周. 实验得到的平均热疲劳寿命结果为 131 周.
V ib ra tion Fa tigue L ife P re d ic tion M ode l fo r F lip C h ip S o lde r J o in t
W A N G H ong 2f ang , ZH A O M ei, CH EN Y ong 2g uo (Sta te Key L ab. of V ib ra t ion, Shock & N o ise, Shangha i J iao tong U n iv. , Shangha i 200030, Ch ina)
1, 2, 3
(4)
对于时间 T ( s) 的随机振动, 1Ρ、2Ρ、3Ρ 应变水
平下累积的循环次数 n1、n2、n3 (单位: Cycles) 分别为
失效时, 焊点裂缝最先在焊点的面部出现并逐渐扩 展, 导致焊点的疲劳失效.
n1=
0.
683
1N
+ 0
T
n2=
0.
271
0N
+ 0
T
3 焊点振动疲劳寿命预测理论模型
A bs tra c t: A n advanced g loba l loca l fin ite elem en t m odeling (FEM ) techn ique com b ined w ith sup erelem en t techn ique w a s u sed to study SM T so lder jo in t vib ra t ion fa t igue on the ba sis of an exam p le of F lip Ch ip a s2 sem b ly. F lip Ch ip so lder jo in t vib ra t ion fa t igue life p red ict ion m odel w a s develop ed on the ba sis of th ree2 band techn ique and h igh2cycle fa t igue equa t ion. It is verified tha t vib ra t ion fa t igue ha s an im po rtan t effect on the F lip Ch ip so lder jo in t life by com p a ring therm a l fa t igue life w ith vib ra t ion fa t igue life. M eanw h ile, so lder jo in t crack p rop aga t ion a rea w a s determ ined by m ean s of st ress st ra in ana lysis resu lt s. Ke y w o rds: F lip Ch ip so lder jo in t; vib ra t ion fa t igue; therm a l fa t igue; fin ite elem en t ana ly sis (FEA )
本文以裸芯片系列中的芯片倒装焊于印刷电路 板 (F lip Ch ip on boa rd) 为例, 利用局部 整体三维有 限元模型相结合的手段, 对 F lip Ch ip 焊点的振动疲 劳可靠性问题进行了研究, 提出了 F lip Ch ip 焊点在 随机振动环境中的振动疲劳寿命预测模型.
1 有限元模型的建立
F lip Ch ip 焊点振动疲劳寿命预测模型
王红芳, 赵 玫, 陈永国
(上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室, 上海 200030)
摘 要: 应用超单元技术并结合局部 整体三维有限元模型, 以 F lip Ch ip 封装体系为例, 对 F lip Ch ip 焊点的振动疲劳可靠性问题进行研究. 基于三带技术和高周疲劳关系式, 提出了 F lip Ch ip 典 型焊点的随机振动环境中的振动疲劳寿命预测模型, 并把预测得到的振动疲劳寿命和热疲劳寿命 进行比较, 证实了振动疲劳对 F lip Ch ip 焊点寿命影响的重要性. 利用应力 应变分析结果, 确定了 焊点裂缝易产生区. 关键词: F lip Ch ip 焊点; 振动疲劳; 热疲劳; 有限元分析 中图分类号: TH 871; TL 375. 6 文献标识码: A
1011、1. 032 6×108, 则 1 h 内, n1= 0. 683 1 × 239. 12 × 3 600≈ 588 034 n2= 0. 271 0 × 239. 12 × 3 600≈ 233 285 n3= 0. 043 3 × 239. 12 × 3 600≈ 37 274
故 1 h 内因振动疲劳而累积的损伤因子为 D v≈ 0. 000 361 9
PCB ). 1. 2 三维局部焊点有限元模型
焊点三维局部有限元模型如图 1 所示, 共有 7 164个 SOL ID 73 单元和 1 518 个节点. 1. 3 超单元的建立
利 用 AN SYS 通 用 有 限 元 分 析 软 件 对 F lip
收稿日期: 2000212217
把每个焊点作为子结构进行降阶, 焊点局部有 限元模型上、下底面中心节点作为保留节点, 每个保 留节点有6个主自由度. 降阶后的模型就是所谓的
影响电子封装可靠性的主要环境因素是热和振 动冲击, 其中热疲劳一直被认为是主要影响因素. 由
Ch ip 焊点的振动疲劳进行数值模拟研究. 1. 1 倒装焊封装体系
于对电子设备可靠性要求越来越高, 振动冲击因素 对 电 子 封 装 可 靠 性 的 影 响 已 引 起 IC 行 业 的 重 视[1～ 7 ].
假设经过 1 h 的热循环和随机振动的作用, 由于热
疲劳而引起的损伤因子
D th = 1 131≈ 0. 007 633 6 再利用有限元应力 应变分析结果和振动疲劳寿命
预测模型, 求得 1Ρ、2Ρ、3Ρ 应变水平下的焊点振动疲 劳寿命N 1、N 2、N 3 分别为 1. 475 9源自文库1017、2. 470 7×
实验芯片为美国 F lip Ch ip T echno logy 公司生 产的 D 型倒装焊试验芯片, 尺寸为 6. 3 mm ×6. 3 mm , 焊球数 48, 焊球间距 457 Λm , 使用共晶锡铅焊 料, 熔点 183°C, 焊球均匀分布于芯片四周; 试验基 板 为 FR 4 印 刷 电 路 板 ( P rin ted C ircu it Boa rd,