焊点可靠性之温度循环载荷下SMT焊点内部应力-应变场分析

焊点可靠性之温度循环载荷下SMT焊点内部应力

-应变场分析

SMT焊点内部应力-应变场的分析是一个材料非线性、几何非线性、载荷非线性的复杂问题，尽管存在一些解析分析方法[10,11,77-80]，FEM无疑提供

图1-5 Sn-Pb共晶合金蠕变试验数据与Wong方程计算结果比较[69]

Fig. 1-5 Comparison of experimental creep data and calculation results

by Wong’s equation for Sn-Pb eutectic solder

了最好的分析工具[81]。在有限元网格模型建立方面，绝大多数研究采用二维网格[8,12,13,27,75,82-85]，一方面是因为节省计算时间和资源，另一方面是因为进行断裂力学参数计算时，J积分不存在三维表达式。典型SMT二维网格见图1-6，只包含整个SMT组件的有限个焊点。Bhatti等人采用网格转换的多点约束方法解决了整个SMT组件的网格划分问题，见图1-7，实现了真正的三维实体有限元网格建模[75]。

—1 —

图1-6 典型SMT焊点二维有限元网格划分[13]

Fig. 1-6 Typical two-dimensional FEM model of SMT solder joints

图1-7 52引脚PLCC封装J形引线SMT焊点三维有限元网格划分[75]

Fig. 1-7 Three-dimensional FEM model of 52-pin PLCC

从文献资料来看，SMT焊点内部应力-应变场的FEM分析在焊点可靠性研究方面主要有三种应用。

(1) 通过计算得出焊点内部循环非弹性应变范围以代入M-C型方程预测焊点寿命。如Mukai等人在预测BGA焊点寿命时，先通过FEM计算得出循环等效蠕变应变范围(见图1-8)，而后代入下式预测焊点热疲劳寿命[86]：

.1

94

ε∆

N

=

.0-

146

(

)

(1-12)

f

cr

图1-8 BGA焊点钎料合金凸台的等效蠕变应变范围分布[86]

Fig. 1-8 Equivalent creep strain range distribution in solder bump of BGA

(2) 根据焊点内部最大等效应力或等效非弹性应变位置来预测裂纹萌生地点。Lee等人通过FEM计算得出翼形引线SMT焊点内部蠕变应变等值分布图(图1-9a)，并与失效焊点内部裂纹的SEM图象(图1-9b)进行对比，从而认为最大蠕变应变所在位置为裂纹萌生位置[12]。而Jung等人在分析PBGA 焊点热循环可靠性时，通过FEM计算得出von Mises等效应力等值分布图(图

2

——

1-10)，并认为最大等效应力所在位置为裂纹萌生位置[84]。

a) b)

图1-9 翼形引线SMT焊点FEM计算结果与失效焊点SEM观察结果对比[12]

a) 蠕变应变等值分布b) 焊点内部裂纹SEM观察

Fig. 1-9 Comparison between FEM calculation results and SEM micrograph

of failure solder joint with J-lead

a)Creep strain contours in the solder joint

b)SEM micrograph of the cross section of the solder joint to show the crack

图1-10 PBGA焊点内部von Mises等效应力分布[84]

Fig. 1-10 Von Mises equivalent stress distribution in PBGA solder joint

(3) 以焊点内部等效应力场分布作为优化设计判据来评价不同形态焊点的可靠性。Lau等人在分析翼形引线SMT焊点形态对可靠性的影响时，通过FEM计算得出不同形态焊点内部等效应力分布图，如图1-11所示。通过比较引线底面所对应的焊点上部的应力值大小，得出焊点无钎焊圆角时可靠性较差的结论[87]。

—3 —

— —

4

a)

b)

c)

图1-11 不同形态翼形引线焊点内部的von Mises 等效应力分布[87]

a) 参考分布 b) 钎料量过多 c) 无钎焊圆角

Fig. 1-11 Von Mises equivalent stress contours in J-lead solder joints with different shape

a) reference shape b) excess solder c) without fillet