冲击载荷下BGA封装焊点的力学特性研究

摘要

通常，温度循环产生的交变应力是BGA(球栅阵列)封装焊点失效的主要原因，但随着大量的BGA封装产品越来越广泛地应用于各种条件日益恶劣的环境中，冲击载荷对封装件可靠性的影响也是不容忽视的，特别是航空航天和军事电子设备。因此，进行冲击载荷下BGA封装焊点的可靠性研究并设计更加结实的BGA封装是必需的。 本文将BGA组件简化为弹簧一质量块、梁和平板三种模型，分析了冲击载荷下BGA组件的动力学特性。结果表明： (1)组件的动态响应受控于主振型； (2)PCB基板与输入的冲击载荷的频率之比对组件的动态响应有显著影响。 采用解析法与有限元分析相结合的方式考察了BGA组件的结构参数和材料特性等因素对焊点应力的影响，并运用参量分析法比较了这些因素对焊点应力的影响程度。 结果表明： (i)PCB板与BGA器件之间的差动挠曲给焊点带来的应力比焊点在纯加速度及BGA器件惯性作用下经历的应力高3个数量级。 (ii)冲击载荷下，同一个BGA器件上各焊点的应力与焊点的位置密切相关，远离对称中心的焊点是承受最大应力应变的关键焊点；BGA焊点上最易出现失效裂纹的区域是关键焊点靠近PCB基板一端的外侧区域。 (iii)参量分析的结果显示：BGA器件和PCB基板二者的弹性模量对焊点应力影响不大；增大焊点直径或减小焊点模量是减小焊点应力、提高焊点抗冲击能力的有效途径；采用较大或者较小厚度的PCB基板也可有效减小焊点应力，提高焊点的可靠性。与温度载荷不同，改变焊点高度不能有效降低焊点的应力。 本文所建立的模型及分析的结果可作为以后进行冲击载荷下BGA封装焊点疲劳寿命预测和焊点形态优化等焊点可靠性研究工作的基础。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.2电子封装简介

1.2.1电子封装的发展历程

1.2.2电子封装的分级

1.2.3电子封装的功能

1.3电子封装的可靠性

1.3.1焊点可靠性问题的产生

1.3.2焊点可靠性的主要研究内容

1.3.3冲击载荷下焊点可靠性的研究现状

1.4本论文的主要内容

第二章冲击动力学及其分析方法

2.1冲击动力学基本理论

2.1.1冲击的基本概念

2.1.2冲击问题的分析理论

2.1.3冲击问题的解决方法

2.2系统冲击问题的动力学方程

2.2.1构造插值函数

2.2.2建立方程

2.3冲击响应的计算

2.3.1直接积分法

2.3.2模态分析法

2.4系统的阻尼问题

2.5本章小结

第三章BGA组件的动力学分析及焊点应力计算

3.1 BGA简介

3.1.1 BGA基本概念及特点

3.1.2 BGA的分类

3.2跌落冲击

3.2.1跌落冲击试验

3.2.2跌落冲击脉冲特性

3.3 BGA组件的动力学分析

3.3.1弹簧质量块模型

3.3.2梁模型

3.3.3板模型

3.4 BGA焊点的应力计算

3.4.1 BGA焊点的拉/压应力

3.4.2惯性载荷下BGA焊点的应力

3.4.3 BGA焊点的应力分析的步骤

3.5本章小结

第四章 BGA焊点的应力应变有限元模拟及设计优化

4.1 ANSYS简介

4.1.1 ANSYS软件的组成部分

4.1.2 ANSYS有限元分析的一般步骤

4.2焊点应力应变有限元模拟

4.2.1 BGA组件结构及材料模式分析

4.2.2建立有限元模型

4.2.3加载并求解

4.2.4查看结果

4.3结果分析

4.4 BGA组件的设计优化

4.4.1 BGA模量及焊点模量的影响

4.4.2焊点高度的影响

4.4.3焊点直径的影响

4.4.4 PCB基板厚度的影响

4.4.5 PCB基板模量的影响

4.5本章小结

第五章总结及展望

5.1总结

5.2展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文