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无铅过渡时期混合组装PBGA焊点可靠性及封装体结构参数优化研究

作　者: 宁叶香
导　师: 潘开林
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 混合焊点有限元分析热疲劳结构优化试验设计
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

为了应对欧盟的《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令》(RoHS指令)和其它国家的无铅法规,电子制造业正进入一个无铅化的转移过程。无铅转移是一项系统工程,无论是从技术上还是我国目前的电子制造技术现状来讲,无铅转移都将在相当长一段时间之内面临有铅与无铅混合组装这一过渡时期。对于混合焊点,从设计到材料,再到整个组装工艺都没有标准可循,焊点的可靠性问题将更加突出,组装工艺更难控制。因此对混合焊点可靠性进行研究,不仅对当前过渡时期各类消费类电子产品具有重要应用价值,而且更重要的是对解决军工、医疗、通信基站等高可靠性要求的电子产品的混合组装问题具有重要意义。本文采用有限元数值模拟方法,针对PBGA272封装器件,建立了1/8三维有限元模型,分析了焊点阵列在热循环条件下的应力应变分布规律,确定了易发生疲劳失效关键焊点的位置;运用子模型分析法,选用以能量为基础的Darveaux寿命预测模型对混合焊点在热循环下的疲劳寿命进行了预测,并与其它类型材料焊点的可靠性进行了对比;然后采用正交试验设计法对封装体结构参数进行优化,主要考虑了结构参数中PCB尺寸、PCB厚度、芯片尺寸、芯片厚度、基板尺寸、基板厚度、焊球高度和焊球半径这8个因素进行正交试验,采用极差分析、方差分析和在MINITAB中进行分析等多种分析方法,得出了各因素对后向兼容焊点Von-Mises最大等效应变的影响程度,并获得了一组最佳的参数组合,达到减少最大等效应变的目的,以减少封装体受破坏的可能性。研究结果表明,在热循环条件下:(1)在PBGA272封装体1/8对角线方向上,离中心参考原点最远处的焊点(即角落处焊点)具有最大等效应力、塑性应变,易发生疲劳失效,此位置的焊点为焊点阵列的关键焊点。焊点破坏时,裂纹都是由与基板或PCB接触面处开始发生。(2)后向兼容焊点应力应变呈周期性的变化规律。恒温状态,由于焊点是粘塑性材料,具有潜变性能,维持恒温有应力松弛现象,导致等效应力值降低;温度由125℃降低到-40℃的过程,应力快速上升;-40℃上升到125℃的过程,属于卸载过程,会有明显的应力降低现象,因此升温和降温过程对焊点热疲劳寿命的影响最大;(3)各材料焊点的热疲劳寿命趋势为:后向兼容焊点(BWC)>无铅焊点(LF)>Sn-Pb焊点(Pb)>前向兼容焊点(FWC)。说明只要工艺参数控制合理,无铅焊球与锡铅焊膏达到充分混合,后向兼容焊点的可靠性是完全可以接受的。(4)封装体结构参数对后向兼容焊点最大等效应变的影响程度为:基板厚度﹥焊点半径﹥焊点高度﹥芯片尺寸﹥芯片厚度﹥基板尺寸﹥PCB厚度﹥PCB尺寸;(5)方差分析表明基板厚度是显著因素,焊点高度为次显著因素,其它因素为非显著性因素;(6)封装体结构参数的一组最优组合为:基板厚度为0.7mm、焊点半径为0.38mm、焊点高度为0.4mm、芯片尺寸为2.54mm、芯片厚度为0.4mm、基板尺寸为13.5mm、PCB厚度为1.8mm和PCB尺寸为15mm。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-15
  1.1 引言  9
  1.2 课题研究背景和意义  9-11
  1.3 课题的国内外研究现状  11-13
  1.4 本文主要工作安排和研究思路  13-15
第二章混合组装引发的工艺可靠性问题  15-26
  2.1 混合合金液相线温度的估算  15-17
    2.1.1 混合合金成分的计算  15-16
    2.1.2 混合合金液相线温度的估算  16-17
  2.2 混合组装的失效模式  17-21
    2.2.1 前向兼容组装的失效模式  17-20
    2.2.2 后向兼容组装的失效模式  20-21
  2.3 混合组装失效机理探究  21-25
    2.3.1 材料引起的失效  21-22
    2.3.2 组装工艺引起的失效  22-23
    2.3.3 使用环境引起的失效  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章电子组装中可靠性数值模拟相关方法及理论  26-34
  3.1 有限元法简介  26-27
    3.1.1 有限元的基本思想  26-27
    3.1.2 有限元法的优点  27
  3.2 ANSYS软件简介  27-29
  3.3 子模型技术  29
  3.4 焊料合金的力学行为本构方程  29-31
  3.5 焊点疲劳寿命预测模型  31-33
    3.5.1 基于塑性应变的焊点疲劳寿命模型  31-32
    3.5.2 基于蠕变变形为基础的预测模型  32
    3.5.3 基于断裂力学基础的疲劳模型  32
    3.5.4 基于能量的疲劳模型  32-33
  3.6 本章小结  33-34
第四章热循环加载下PBGA混合焊点有限元仿真分析  34-48
  4.1 有限元模型的建立  34-39
    4.1.1 模型基本假设  34
    4.1.2 模型的结构及材料  34-36
    4.1.3 单元类型的选择及材料属性的确定  36-37
    4.1.4 材料参数的确定  37-38
    4.1.5 实体模型的绘制  38
    4.1.6 网格划分及边界条件定义  38-39
  4.2 热循环加载  39-40
  4.3 仿真结果分析  40-46
    4.3.1 关键焊点位置的确定  40-41
    4.3.2 子模型技术预测关键焊点的疲劳寿命  41-42
    4.3.3 最危险焊点应力应变及动态特性分析  42-45
    4.3.4 Daurvex能量法预测焊点的疲劳寿命  45-46
    4.3.5 不同焊点材料可靠性的对比  46
  4.4 本章小结  46-48
第五章基于正交试验设计的PBGA封装体结构优化  48-61
  5.1 正交试验设计的基本原理和方法  48-50
    5.1.1 正交表  48-49
    5.1.2 正交试验法的步骤  49-50
    5.1.3 MINITAB统计分析软件概述  50
  5.2 基于PBGA272封装体的试验设计排定  50-53
  5.3 试验结果处理与分析  53-59
    5.3.1 MINITAB中进行正交试验设计分析  53-56
    5.3.2 极差分析法  56-58
    5.3.3 方差分析法  58-59
  5.4 本章小结  59-61
第六章基于可靠性测试的混合组装试验规划  61-65
  6.1 试验目标与方案  61-62
  6.2 试验样本的制备  62
  6.3 测试设备和测试流程  62-64
  6.4 失效标准和失效过程  64
  6.5 本章小结  64-65
第七章总结和展望  65-67
  7.1 总结  65-66
  7.2 展望  66-67
参考文献  67-72
致谢  72-73
作者在攻读硕士期间主要研究成果  73

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