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PBGA板级组件焊点随机振动可靠性分析与研究

作　者: 漆学利
导　师: 李国元；黄云
学　校: 华南理工大学
专　业: 集成电路工程
关键词: PCB组件焊点随机振动模态试验、仿真分析
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

PBGA板级电子组件在运输、使用过程中容易受到各种随机振动因素的影响而引起焊点高周疲劳失效进而使整个PCB组件发生故障。电子产品使用环境的日益严酷,将加剧组件焊点的弹塑性变形,使得疲劳损伤快速积累并最终导致焊点乃至设备失效。因此,PCB组件的动态特性和焊点的振动可靠性成为关注的焦点。为探索板级组件的动态特性,设计了带菊花链的PBGA组件,采用不同固支方式(如六螺钉支撑、两端固定)进行模态试验和有限元仿真,分别获得PCB组件的模态参数。在验证有限元模型及仿真方法正确性后,分析不同固定方式对PCB组件一阶固有频率的影响。在验证了模态仿真结果与模态试验结果一致的基础上,选择典型固支方式,对PCB组件进行随机振动试验和仿真,通过随机振动实验,确定最容易失效的焊点位置;通过随机振动仿真,确定组件的最大应力应变区域,进而与实验结果进行对比,再次验证了仿真模型的正确性,提出随机振动环境下焊点疲劳寿命预测方法。最后,通过改变焊点材料、焊点直径、焊点高度、PCB厚度、固支方式等参数,进行模态仿真和随机振动仿真,研究这些参数对焊点振动应力应变的影响。研究结果表明,PCB一阶固有频率随着固支点数的增多而增加。振动试验中最先失效的焊点位于PCB中心位置的PBGA器件上的最外围边角处的焊点上,与有限元仿真结果中的应力最大焊点位置相一致,关键焊点的开裂失效发生在靠近器件一侧的焊料内。焊点空洞对组件的振动可靠性具有不利影响。SMD焊盘设计相比NSMD焊盘设计易于引起焊点内应力集中。降低焊点高度、增加焊点直径、增加PCB厚度、增加固支点个数均有利于减小焊点的最大振动应力值,无铅焊点相比有铅焊点具有更大的振动应力。随机振动仿真研究焊点振动可靠性能获得所感兴趣区域的应力应变响应,分析焊点参数对最大等效应力应变的影响,指导焊接组装工艺和改进结构设计,为提高焊点振动可靠性提供参考。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 引言  10
  1.2 BGA 封装技术  10-12
  1.3 BGA 封装的可靠性问题  12-13
  1.4 国内外研究现状  13-15
  1.5 选题意义  15-16
  1.6 主要研究目标和研究内容  16-18
第二章模态及随机振动试验  18-27
  2.1 试验样品及振动夹具设计  18-20
    2.1.1 试验样品设计  18-19
    2.1.2 振动夹具设计  19-20
  2.2 实验过程设计  20-21
    2.2.1 模态试验  20
    2.2.2 随机振动试验  20-21
  2.3 夹具和PCB 组件的初始动态测试  21-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章基于有限元的模态及随机振动有限元仿真  27-42
  3.1 有限元技术的发展及其在振动仿真分析中的应用  27-28
  3.2 动力学分析的理论基础  28-32
    3.2.1 随机振动的有限元理论  28-30
    3.2.2 基于瑞雷法的PCB 组件一阶固有频率计算  30-32
  3.3 有限元建模及网格划分  32-34
    3.3.1 BGA 器件的选择和简化  32-33
    3.3.2 有限元模型和网格划分  33-34
  3.4 模态和随机振动仿真  34-36
    3.4.1 基于ANSYS Workbench 的模态和随机振动有限元仿真分析步骤  34-35
    3.4.2 仿真加载载荷和边界条件  35-36
  3.5 仿真结果分析  36-41
    3.5.1 模态仿真结果  36-38
    3.5.2 随机振动仿真结果  38-41
  3.6 本章小结  41-42
第四章试验与仿真对比分析  42-51
  4.1 模态试验与仿真结果对比分析  42-47
    4.1.1 模态试验结果  42-45
    4.1.2 模态试验和仿真结果对比分析  45-47
  4.2 振动试验与仿真结果对比分析  47-50
    4.2.1 振动试验结果  47-49
    4.2.2 振动试验和仿真结果对比分析  49-50
  4.3 本章小结  50-51
第五章焊点参数对振动疲劳可靠性的影响分析  51-67
  5.1 简化模型进行参数影响研究的可行性分析  51-55
  5.2 焊点几何参数对应力应变的影响分析  55-62
    5.2.1 焊点材料对焊点应力应变的影响  56-58
    5.2.2 焊点高度对焊点应力应变的影响  58-60
    5.2.3 焊点直径对焊点应力应变的影响  60-62
  5.3 PCB 厚度对焊点应力应变的影响  62-64
  5.4 焊盘设计对焊点应力的影响  64-65
  5.5 固支方式对焊点应力的影响  65-66
  5.6 本章小结  66-67
第六章随机振动环境下焊点疲劳寿命预测方法  67-72
  6.1 焊点随机振动疲劳寿命预测模型的提出  67-68
  6.2 焊点随机振动疲劳寿命预测流程  68-71
  6.3 本章小结  71-72
总结与展望  72-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间取得的研究成果  80-81
致谢  81-82
附件  82

PBGA板级组件焊点随机振动可靠性分析与研究

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