BGA焊点在不同加载方式下的力学行为研究

摘要

焊点的可靠性对封装器件的寿命至关重要。“70％以上的电子器件失效是由焊点失效引起的[1]”焊点作为封装器件中重要的组成部位，焊点的可靠性决定了封装器件功能的实现。
　　随着无铅化研究的不断深入和 SMT（表面贴装技术，Surface Mounted Technology）的不断发展，新型无铅钎料要求在综合性能上（如力学行为、焊接性及焊点可靠性等）与63Sn37Pb共晶钎料能媲美，甚至超越63Sn37Pb以应对在各种恶劣环境中服役的电子封装产品对长期稳定运行的可靠性的要求。其中对焊点力学行为分析及研究尤为重要。目前 BGA焊点在不同加载方式下的可靠性的研究主要是针对温度循环、振动冲击，如热循环试验、跌落试验、振动试验等，而对无铅 BGA单个焊点本身的循环、分级、循环分级行为研究还少见报道。本文将采用统一的幂指数蠕变本构方程描述焊点的应力应变行为对BGA焊点在承受循环、分级、循环分级载荷的机械外载过程进行有限元模拟，预测焊点失效的位置，分析应力应变规律，并讨论了不同加载对BGA焊点力学行为的影响，本研究对微电子封装 BGA焊点可靠性评价提供一定理论依据。
　　本文对Sn-3.0Ag-0.5Cu BGA焊点不同加载方式下的加载过程进行数值模拟。研究不同加载方式对BGA焊点力学行为的影响。研究结果表明：在不同加载方式下焊点的易失效位置是相同的，应力集中区域为受力一侧下IMC处；塑性应变最大的区域位于不受力一侧上球颈处；单个互连 BGA焊点在承受循环载荷时受力一侧下 IMC处残余应力最大，该处最容易导致裂纹扩展失稳；焊点在承受循环分级载荷时，不受力一侧上球颈处产生的塑性变形最大，该处最易因局部塑性应变集中产生疲劳裂纹。
　　对焊点分级力学行为的研究表明：随着峰值载荷的增加，塑性应变成为焊点失效的主要因素；随着加载速率的增加，等效塑性应变区域由中心向两侧颈部骤减，应力分布规律基本不变，应力的累积成为焊点失效的主导因素；随着载荷步数的增加，焊点由于塑性应变集中产生裂纹的可能性增加。
　　对焊点循环行为的研究表明：随着峰值载荷的增大，等效塑性应变量成为焊点失效的主要原因，同时焊点的疲劳寿命减小；保载时间的增加，只能使蠕变过程可以进行的更充分，但并不能产生额外的蠕变。达到临界状态后，焊点的疲劳寿命几乎不受保载时间长短的影响；随着循环次数的增加，焊点的可以充分的发生塑性变形，而不残留，焊点的损伤累计增加，循环次数的多少对焊点疲劳寿命的影响越来越小。

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第1章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

第2章 有限元模型的建立

2.1引言

2.2有限元模型的建立

2.3基于纳米压痕法焊点幂指数和蠕变本构方程的确定

2.4本章小结

第3章 不同加载方式对BGA焊点力学行为的影响

3.1引言

3.2加载方式说明

3.3有限元模拟结果分析

3.4本章小结

第4章 BGA焊点的分级行为数值模拟

4.1引言

4.2峰值载荷对BGA焊点分级行为的影响

4.3加载速率对BGA焊点分级行为的影响

4.4载荷步数对BGA焊点分级行为的影响

4.5本章小结

第5章 BGA焊点的循环行为数值模拟

5.1引言

5.2峰值载荷对BGA焊点循环行为的影响

5.3保载时间对BGA焊点循环行为的影响

5.4循环次数对BGA焊点循环行为的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢