无铅BGA焊点的随机振动可靠性及其失效分析

摘要

无铅球珊阵列封装是目前主流的封装技术,其具有较高的封装密度、封装材料钎料对环境友好等优点。BGA封装焊点可靠性一直是封装技术向前发展急需解决的关键问题之一。现有的文献针对封装组件在热循环下的可靠性研究较多。而电子产品在装运和使用过程中不可避免的经受振动载荷,其在振动下的可靠性是一个不容忽视的问题。基于此,本文将随机振动实验和ANSYS有限元相结合建立了评价焊点随机振动下的量化评价方法。本文还对在封装中常用的底充胶对焊点的振动可靠性影响作了讨论,并与未填充底充胶的焊点可靠性作了对比,在此过程中还考虑了芯片位置、PCB板约束条件对其可靠性的影响。除此之外,本文将低温Sn58Bi混合焊点与SnAgCu单一焊点的振动可靠性做了实验与有限元的对比分析。
　　本文利用ProtelDXP设计了PCB板并通过回流焊完成了封装组件,在随机振动试验中,设计了用于振动试验的试样夹具,建立了用于监测焊点通断的电压动态监测系统,并在此基础上搭建了随机振动实验平台。通过随机振动试验,本文获得了Sn3Ag0.5Cu焊点、Sn58Bi与Sn3Ag0.5Cu混合焊点在随机振动下的寿命,继而本文利用ANSYS13.0有限元分析软件对Sn3Ag0.5Cu封装组件做了随机振动有限元模拟分析。最后基于Miner累计疲劳损伤理论、三带技术以及改进的Masson高周疲劳方程,结合随机振动试验和有限元模拟的结果,建立了评价焊点可靠性的量化方法,并利用此量化方法对外围的两圈焊点进行了累计疲劳损伤指数的计算,给出了累计疲劳损伤的三维直方图。
　　影响焊点振动可靠性的因素较多,主要有组件的结构、芯片的布局、PCB板的约束等。本文利用有限元分析方法,对填有底充胶的Sn3Ag0.5Cu焊点封装组件、添加底充胶并增加PCB板约束的Sn3Ag0.5Cu焊点封装组件、Sn58Bi与Sn3Ag0.5Cu混合焊点封装组件分别作了随机振动有限元模拟,讨论了不同因素对焊点振动可靠性的影响。结果表明,底充胶的填充、增加PCB板约束和两种措施同时施加的方法,都有助于提升焊点的振动可靠性,且两种措施同时施加的方法对于提升焊点振动可靠性的性能效果最好。
　　利用Sn58Bi低温锡膏焊接有Sn3Ag0.5Cu的芯片封装组件,具有焊接温度低,锡膏成本低等优点。本文利用实验和有限元数值分析对比,评价了低温锡膏焊接与用Sn3Ag0.5Cu锡膏的焊接的封装组件的随机振动可靠性。结果表明,混合焊点与单一钎料的焊点相比,其抗随机振动性能较差。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2电子封装的发展趋势

1.3国内外对振动条件下焊点可靠性的研究

1.4 焊点的寿命预测模型

1.5底部填充胶（Underfill）技术

1.6本课题的研究内容及意义

第2章 焊点振动可靠性基础理论

2.1 模态分析理论概述

2.2 ANSYS随机振动分析理论

2.3 本章小结

第3章 随机振动平台搭建及实验结果分析

3.1引言

3.2模态试验

3.3 随机振动试验

3.4实验结果

3.5本章小结

第4章 ANSYS有限元分析及量化评价机制

4.1引言

4.2 ANSYS有限元分析

4.3有限元结果及分析

4.4本章小结

第5章 影响焊点振动可靠性因素及两种形式焊点振动可靠性对比分析

5.1引言

5.2填有底充胶的PBGA组件三维模型

5.3填有底充胶的PBGA组件有限元结果分析

5.4低温Sn58Bi混合焊点与Sn3Ag0.5Cu单一焊点振动可靠性对比分析

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢