无铅焊料对电子封装芯片动态可靠性影响的研究

摘要

随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛发展，电子产业已成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一，电子产业的发展也带动了与之密切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。 目前电子封装领域中的研究主要集中在对封装件的热湿应力的静力学问题的研究，而对焊点的动力破坏行为缺乏系统的研究。由冲击、跌落等动态因素引起的焊点破坏进而导致的器件破坏在电子封装芯片的破坏中占有很大的比例(20％)，因此对封装芯片在高应变率下的动力破坏的研究是十分必要的。本文的工作包括对两种不同成份的无铅焊料的动态压缩力学行为的实验研究、由实验数据拟合得到与应变率相关的材料本构关系，初步探讨了无铅焊料和含铅焊料对应的焊点动力破坏特性。论文主要包括以下内容： 1．使用Hopkinson压杆实验技术，获得了这三种焊料在500s<'-1>～2000s<'-1>应变率下的应力应变关系曲线。 2．基于Cowper-Symonds模型，以实验数据为基础，拟合得到了三种材料的两个粘性参数c和 p，进而得到了三种焊材屈服应力随应变率的变化关系。 3．利用已有的材料弹性模量、静态屈服极限以及前面得到的粘性材料参数，使用LS_DYNA有限元程序模拟SHPB实验过程，获得了材料的强化模量及泊松比。结合材料的静态应力应变关系，给出了应变率相关的材料动态本构关系。 4．使用所得到的焊料基本力学性能和动态本构关系，对一个简化的BGA封装模型的跌落过程进行了有限元数值模拟，比较不同焊料在跌落中所表现的差异，对焊料在冲击载荷作用下的破坏模式进行分析和探讨，为以后进行的焊点疲劳寿命估计和焊点形态优化设计提供依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

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第一章绪论

§1.1电子封装概述

§1.2电子封装的研究现状

§1.2.1热对电子封装可靠性的影响

§1.2.2湿汽对电子封装可靠性的影响

§1.2.3焊点质量对电子封装可靠性的影响

§1.2.4冲击载荷对电子封装可靠性的影响

§1.3电子元器件的主要失效模式

§1.4电子封装的无铅化

§1.4.1无铅焊料的具体要求

§1.4.2无铅焊料的发展现状

§1.5本文的主要工作

第二章Sn-Cu、Sn-Ag-Cu及Sn-Pb三种焊料的动态压缩实验

§2.1 SHPB实验技术及原理

§2.1.1 SHPB实验装置

§2.2.2实验原理

§2.2 Sn-Cu、Sn-Ag-Cu及Sn-Pb三种焊料试件的制备

§2.3三种试件的动态压缩性能测试

§2.4应变率效应对焊料屈服极限的影响

§2.5本章小结

第三章Sn-Cu、Sn-Ag-Cu及Sn-Pb三种焊料应变率相关的动态本构关系研究

§3.1屈服极限随应变率的变化关系

§3.2材料动态本构关系的有限元确定

§3.2.1 SHPB实验的有限元模拟

§3.2.2结果分析

§3.3 Sn-Cu、Sn-Ag-Cu及Sn-Pb焊料的动态本构关系

§3.4本章小结

第四章BGA封装模型跌落过程中的焊点可靠性分析

§4.1关于BGA封装模型跌落仿真的有限元基本理论

§4.1.1有关动态跌落问题的基本控制方程

§4.1.2有限元离散后的运动微分方程

§4.1.3应变率参数的设定

§4.1.4求解过程

§4.2 BGA封装模型跌落过程的有限元模拟

§4.2.1模型的建立

§4.2.2材料参数及单位制

§4.2.3载荷、初始条件

§4.2.4计算结果及分析

§4.3本章小结

第五章全文总结与工作展望

§5.1全文总结

§5.2工作展望

参考文献

致谢

本人在硕士期间发表的论文