BGA封装焊点可靠性及疲劳寿命分析

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电子信息产品的多功能集成化、便携化、低价格发展趋势必然导致轻、薄、短、小型化的技术需求,使得电子封装技术成为全世界微电子产业中的相对独立、技术竞争激烈的领域。封装过程中焊点自组装的可靠性及焊点的疲劳寿命是封装器件可靠性的重要指标。随着封装尺寸的逐渐减小及封装密度的不断增高,焊点在自组装过程中很难通过肉眼观察。因此,如何能够保证自组装过程的可靠性,提高焊接成品率,保证焊点疲劳寿命成为业界研究的重点问题。BGA封装形式作为当前主要封装形式,BGA焊点群的自组装可靠性及疲劳寿命显得尤为重要。本文以此为出发点,研究了BGA封装的可靠性及BGA焊点的受力与疲劳寿命。论文分别对BGA焊点的焊点形态、BGA封装器件的翘曲变形与自组装成品率、BGA焊点的温度残余应力及BGA焊点横截面应力分布、BGA焊点的疲劳寿命四个方面进行了探讨和研究,并对工艺过程提出了一些指导建议。主要工作内容如下:  1.基于对液体表面张力及润湿性的分析,实验分析了液体体积对其接触角的影响。其次,根据液滴接触角在固体界面结构突变处及材料不连续处的变化规律,提出了“接触铰”的概念,为后续更加准确地仿真焊点液桥形态提供了基础。考虑体积约束,提出了以张力角?为自变量的Young- Laplace方程,对不同边界条件及不同结构的BGA焊点形态进行了仿真分析,并得到了其3D仿真形态。同时,得到了表征焊点承载力与液桥间距关系的液桥刚度曲线。考虑焊点体积不可避免的制造误差,求解得到不同体积焊点的液桥刚度曲线族,为后续自组装可靠性分析提供了基础。  2.基于层合板弯曲理论,建立由封装树脂、Si芯片和陶瓷基板组成的三层板模型,对BGA封装器件进行了自由约束下的温度翘曲变形分析,得到了器件随温度变化的翘曲变形规律。考虑焊点体积不可避免的制造误差及焊点位置的随机性,结合焊点液桥刚度曲线库,对器件进行自组装分析,得到了判断焊点断路和短路的准则。通过对大量相同器件进行自组装分析,可以得到该工艺类型下器件的自组装成品率。通过改变焊点体积偏差率及焊盘直径,得到了焊点体积偏差率及焊盘直径对器件自组装成品率的影响规律,对生产工艺有一定的指导作用。最后,考虑当前封装器件的发展方向,对0.35mm和0.3mm节距封装器件的焊点体积均值及焊盘直径的匹配关系进行了仿真分析,得到了能够满足当前封装器件结构的工艺参数匹配值。对封装器件未来的发展提供了借鉴作用,也为封装器件的工艺参数设计提供了指导作用。  3.将BGA焊点视为变截面杆结构,分析了BGA焊点的服役过程中的温度残余应力。考虑器件温度翘曲变形及各层材料的热膨胀变形,仿真分析了位于器件不同位置的BGA焊点的温度残余正应力及温度残余剪应力。并讨论了树脂材料及PCB厚度对BGA焊点温度残余应力的影响,为工艺设计提供一定指导作用。建立了BGA焊点圆截面圆弧裂纹模型,分析了BGA焊点横截面的正应力及剪应力分布。对不同截面形状及不同裂纹形状的焊点进行了主应力方向角及裂纹尖端附近最大名义应力随裂纹扩展的变化规律进行了仿真分析,得出了焊点横截面形状及裂纹形状对焊点疲劳寿命影响的影响。  4.对BGA焊点的疲劳寿命进行了分析。基于Paris疲劳寿命经验公式,建立BGA焊点圆域扁平圆弧形片状边缘裂纹的扩展模型,进行BGA焊点疲劳寿命预测。得到在工艺允许的情况下应该尽可能的降低树脂材料及PCB的厚度,以增长BGA焊点的疲劳寿命的结论。另一方面,设计制作了力控制疲劳加速试验机,设计制作综合测试试件,针对中兴通讯提供的产品,测试其焊点断面位置及进行寿命分析。给出了判断焊点断面位置的方法,得到了与仿真结果较为一致的疲劳寿命结果。
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