热循环载荷下BGA复合焊点疲劳寿命的研究

论文摘要

有限元数值模拟（Finite Element Method, FEM）和加速热循环试验（Accelerated Thermal Cycle, ATC）是预测球栅阵列（Ball Grid Array, BGA）封装器件焊点在热载荷作用下热疲劳寿命的有效方法。本文采用FEM和ATC两种方法,系统地研究了由10Sn90Pb和63Sn37Pb两种钎料构成的BGA复合焊点在热循环载荷作用下的疲劳行为,预测了复合焊点的热疲劳寿命,总结了失效位置分布规律及趋势,分析了影响焊点热疲劳寿命的几何因素和载荷因素。首先,分析了63Sn37Pb钎焊10Sn90Pb及铜制焊盘的过程,给出了系统各能量的矢量形式,基于能量最小原理,采用Surface Evolver软件计算了BGA封装器件整体能量最小时,复合焊点的几何形貌参数,根据计算结果,采用合理简化,建立了有限元模型。其次,推导了10Sn90Pb和63Sn37Pb两种钎料Anand本构方程的九个参数,采用MSC.MARC自带的表格拟合应力与应变率、温度的曲面,将Anand方程引入有限元分析计算,并将0.5%的恒应变率拉伸试验模拟数据与实测数据比较,验证了Anand本构方程描述锡铅钎料力学性能的合理性。再次,采用FEM计算了BGA复合焊点在热循环载荷作用下的应力应变特征,分析了焊点失效的危险区域,基于修正的C-M方程预测了各种参数的BGA复合焊点的热疲劳寿命。研究表明:分布在外侧的BGA复合焊点具有较高的应力、应变及累计能量密度,在热循环载荷下,通常最先失效;低温共晶焊膏体积的多少决定了疲劳破坏的具体位置:当低温共晶焊膏量较少时,破坏发生在焊膏与焊盘连接处,而且疲劳寿命非常低,当低温共晶焊膏量较多时,破坏发生在焊膏与高铅焊料球的连接处,但疲劳寿命较高;增加高铅焊料球最大径向尺寸D、减小热循环载荷的升降温速率v及热循环载荷的高低温保温时间T,可以提高焊点的热疲劳寿命。最后,通过ATC的正交试验和染色起拔试验分析了疲劳寿命影响因素和裂纹扩展规律。研究表明:疲劳裂纹从阵列边角的焊点开始萌生,逐渐向中心扩展;在影响BGA复合焊点疲劳寿命的三个因素中,影响程度从大到小依次为:热循环载荷的升降温速率v、热循环载荷的高低温保温时间T、高铅焊料球最大径向尺寸D。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 BGA 焊点的几何模型
• 1.2.2 钎料的弹塑性模型
• 1.2.3 钎料的蠕变模型
• 1.2.4 钎料的粘塑性模型
• 1.2.5 焊点疲劳寿命的有限元研究
• 1.2.6 疲劳破坏机理及断口分析
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 BGA 复合焊点有限元分析模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 BGA 复合焊点的简介
• 2.3 理论基础
• 2.4 单个BGA 复合焊点模型的建立
• 2.5 BGA 复合焊点有限元模型的建立
• 2.6 本章小结
• 第3章 BGA 封装材料的本构模型
• 3.1 引言
• 3.2 线性材料的本构模型
• 3.3 非线性材料的本构模型
• 3.4 锡铅钎料Anand 模型参数的确定及有限元实现
• 3.5 锡铅钎料Anand 本构方程的验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 BGA 复合焊点热疲劳性能的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 载荷条件和边界条件
• 4.3 数值模拟结果的提取与分析
• 4.3.1 BGA 复合焊点失效位置的确定
• 4.3.2 BGA 复合焊点疲劳寿命的计算
• 4.4 影响焊点疲劳寿命因素的分析
• 4.4.1 几何因素的影响
• 4.4.2 载荷因素的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 BGA 复合焊点热疲劳性能的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 正交试验设计
• 5.3 试验方法
• 5.4 试验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢