热循环与振动环境下LGA焊点形态对焊点寿命影响研究

摘要

现代的电子产品正飞速的向体积更小,重量更轻,可靠性更高的方向发展,这就要求电子元器件体积更小,高度更低,焊点可靠性更高。LGA(Land Grid Array,栅格阵列封装)是一种类似于BGA,但是底部只有焊盘没有焊球的新型元器件,它具有比BGA更低安装高度,焊点高度更低的特点,能更好的提高电子器件的电气传输性能、抗振、抗跌落和抗弯曲性能。所以LGA器件越来越多的被应用于军用雷达和便携式电子产品中,随之LGA器件的可靠性也成为备受关注的问题,在这些应用LGA器件的电子产品中焊点不仅在LGA器件和PCB之间起着支撑和电气连接的作用还起到散热通道的作用的它是元器件最薄弱的一部分,因此研究LGA焊点的可靠性问题随之也显得非常的必要。
　　本文首先基于最小能量原理利用Surface Evoler软件预测LGA焊点的三维形态,采用轴对称法在ANSYS中重构LGA焊点三维形态分别建立热循环载荷下和随机振动载荷下LGA焊点有限元分析模型。
　　然后,加载热循环载荷对LGA焊点进行有限元仿真分析,通过分析LGA焊点受到的应力应变分布规律,确定了位于LGA器件最外侧拐角处的焊点为危险焊点;采用基于塑性应变能密度增量的Darveaux模型预测了LGA焊点的热疲寿命。基于正交实验设计研究了影响LGA焊点形态的三个主要因素:PCB焊盘半径,焊点高度和钎料体积对LGA热疲劳寿命的影响规律。得出了三个因素对LGA疲劳寿命影响的大小排序为:焊点高度H>钎料体积V>PCB焊盘半径R,焊点最佳焊点形态参数组合为:R3H4V4。
　　加载随机振动载荷对LGA焊点进行有限元仿真分析确定了位于LGA板级组件中心位置的LGA器件下最外侧拐角处的焊点为危险焊点,基于三带技术和SAC305的S-N曲线预测振动疲劳寿命。基于正交实验设计研究PCB焊盘半径,焊点高度和钎料体积对LGA振动疲劳寿命的影响规律。得出了三个因素对LGA疲劳寿命影响的大小排序为:焊点高度H>PCB焊盘半径R>钎料体积V,焊点最佳焊点形态参数组合为:R4H1V4,为今后对LGA疲劳寿命预测提供参考依据。
　　最后建立基于RBF神经网络的LGA寿命预测模型,利用热循环载荷下正交实验设计得到的16组热疲劳寿命结果对RBF神经网络训练,利用16组以外的另5组数据验证RBF神经网络的LGA寿命预测模型,结果与ANSYS仿真得到的结果吻合较好。说明了基于RBF神经网络预测LGA焊点在一定条件下的疲劳寿命的可行性,为今后研究LGA焊点形态对疲劳寿命影响奠定基础。

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第一章 绪论

§1.1 论文研究背景

§1.2 国内外研究现状

§1.3 论文研究意义

§1.4 论文主要研究内容及章节安排

第二章 基础理论

§2.1 焊点形态预测理论方法

§2.2 有限元分析理论方法

§2.3 热力学基础理论

§2.4 振动基础理论

第三章 LGA焊点形态预测有限元模型建立

§3.1 LGA焊点形态预测

§3.2 有限元模型建立

§3.3 本章小结

第四章 热循环载荷下LGA焊点寿命预测分析

§4.1 焊点寿命预测模型方法

§4.2 热循环载荷下LGA焊点的有限元分析

§4.3 LGA焊点形态对焊点热疲劳寿命影响分析

§4.4 基于正交实验的LGA焊点形态参数优化

§4.5 本章小结

第五章 随机振动载荷下LGA焊点寿命预测分析

§5.1 随机振动载荷下焊点寿命预测模型

§5.2 基于瑞利法估算PCB组件一阶固有频率

§5.3 LGA板级PCB组件模态分析

§5.4 随机振动载荷下LGA焊点有限元分析

§5.5 随机振动载荷下LGA焊点形态对焊点寿命影响

§5.6 随机振动下基于正交实验的LGA焊点形态优化

§5.7 本章小结

第六章 基于RBF神经网络的焊点寿命预测

§6.2 基于RBF神经网络LGA焊点寿命预测实现

§6.3 本章小结

第七章 总结与展望

§7.1 总结

§7.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果