柔性板上FBGA组件的机械可靠性研究

摘要

柔性电路板(FPC)是以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的一种具有高度可靠性,绝佳曲挠性的印刷电路,广泛应用于滑盖式手机和折叠式手机中。在手机的使用过程中,手机中的FPC通常会产生大幅度的弯曲变形和扭曲变形。由于贴装在FPC上的元器件刚性较大,连接这些元器件的焊点的变形并不能完全抵消因FPC变形所引起的应力。有时因为使用者的疏忽,使手机跌落到地面上,引起FPC上的元器件与手机外壳反复碰撞。这些问题严重影响手机的性能和寿命。本文研究了FPC上的FBGA在跌落、弯曲和扭曲等各种机械载荷中元器件焊点的连接性能。主要内容如下:
　　(1)利用Surface Evolver(软件),根据最小能量原理,建立了BGA焊点的几何模型。将焊点表面几何元素导入有限元前处理软件HYPERMESH后,生成有限元分析所需的三维有限元单元模型。
　　(2)利用非线性有限元软件ABAQUS,研究FPC上的FBGA分别在自由跌落以及承受弯曲、扭曲载荷时焊点与FPC的连接可靠性。采用Johnson-Cook材料本构,将应变率的影响计算到焊点的材料模型中。在有限元仿真过程中,模拟元器件贴装位置、焊点尺寸(包括焊点高度和直径)对FBGA连接可靠性的影响。
　　(3)运用正交试验方法分析了在三种因素对同一FBGA柔性组件焊点应力的影响。按照正交表设计了九组模型,并对这些模型的计算结果进行直观分析和方差分析。
　　研究结果表明,(1)FBGA焊点在跌落过程的应变率除0.5、1.2、3.5ms等时间点的数值比较大外,其余大多数时间的应变率均小于1000/s;FPC跌落角度和与地面接触方式对焊点所产生应力的影响较大;(2)当FPC处在弯曲状态时,增加FPC的长度能够显著改善FBGA焊点与FPC的连接性能;(3)当FPC处在扭曲状态时,FBGA贴装位置对焊点的连接性能的影响十分明显;(4)确定了实验方法即破坏形式为影响FBGA柔性组件焊点应力的最大影响因素和高度显著影响因素。
　　本文研究了FPC上的FBGA分别在跌落、弯曲和扭曲状态下焊点的应变应力状态,获得了焊点在跌落状态、FPC长度、焊点尺寸等参数改变时对焊点连接性能的影响。论文的研究成果为电子工程师在柔性电子产品的结构设计中提供了一定的指导作用。

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第一章 绪 论

§1.1 柔性印制电路板技术

§1.2 电子组件的机械可靠性研究现状

§1.3 FPC及其组件的研究现状

§1.4 论文主要研究内容

第二章 ABAQUS软件求解非线性与接触问题的方法

§2.1 有限元法的一般原理

§2.2 ABAQUS分析非线性问题的方法

§2.3 ABAQUS中的接触分析

第三章 基于最小能量原理的BGA焊点建模技术

§3.1 BGA封装器件概述

§3.2 基于能量最小原理的BGA焊点模型

第四章 FBGA组件跌落仿真与分析

§4.1 有限元模型和网格划分

§4.2 材料模型

§4.3 边界条件

§4.4 跌落仿真结果与分析

第五章 FBGA组件弯曲仿真与分析

§5.1 弯曲有限元模型与网格划分

§5.2 材料参数与边界条件

§5.3 有限仿真结果与分析

第六章 FBGA组件扭曲仿真与分析

§6.1 几何模型与网格划分

§6.2 材料参数和边界条件

§6.3 有限元仿真结果与分析

第七章 正交试验设计与分析

§7.1 正交试验设计简介

§7.2 基于正交表的参数组合设计

§7.3 试验结果处理与分析

§7.4 本章小结

第八章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果