英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Microelectronics Reliability 55 (2015) 2777–2785
Contents lists available at ScienceDirect
Microelectronics Reliability
J
o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / m r
随机振动载荷下BGA封装的数字模拟和疲劳寿命估算
Fang Liu a,b, , Ye Lu b, Zhen Wang a, Zhiming Zhang
中国武汉 430070 纺织路 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院
澳大利亚 VIC3800 Clayton Monash大学 国民工程学院
文章信息 摘要
文章历史：2015.1.5日开始工作， 这项报告研究的是关于球栅阵列（BGA）封装在随机振动载荷下的有限元
2015.7.30至2015.8.11修订， 模拟和疲劳度预测的工作，在随机振动载荷下测试印刷电路板（PCB）组件，
2015.8.24发表 记录PCB组件的中心位移和失败时间，用ABAQUS软件建立PCB组件的三
维有限元模型，对指定随机振动的频谱分析来数字化地获得相应PCB组件
关键字： 的响应功率频谱密度（PSD）。仿真结果表明，在实际随机振动试验中，中
随机载荷 心位移响应与实验数据有良好的相关性，验证了所提出的有限元模型的有
钎焊接头 效性。特别地，计算和比较不同负载条件下最大剥离应力的均方根（RMS）
有限元 值。应用不同的预紧力水平和振动强度来研究它们对焊点可靠性的影响。特
模拟 别地，计算和比较不同负载条件下最大剥离应力的均方根（RMS）值，应
疲劳寿命 用不同的预紧力水平和振动强度来研究它们对焊点可靠性的影响。最后，
BGA焊点在随机振动载荷下的疲劳寿命根据Miner定律和随机振动理论确
定，并且实验验证了BGA焊点的预测疲劳寿命与实验结果以合理的精度匹
配。可以得出结论，在BGA封装的四个最外角的焊接接头具有比其他焊接
接头具有比其他焊接接头更高的剥离应力值，特别是在PCB和BGA附近的
焊料接合部的两侧。关键焊点的应力响应随着振动载荷的增加而增加。当
螺钉变松时，BGA包装将更容易损坏和失效。这项研究将为调查PCB组件
的动态特性和优化设计以及预测BGA焊点的疲劳寿命提供指导。
copy; 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.
- 引言
在商业、工业、军事运用中，电子系统常常工作在不同的机械冲击和振动载荷下。虽然振动加载通常在电子封装的使用寿命中被抵消，但是由振动加载引起的应力历史的特性不能通过实验直接获得。 在这方面，有限元（FE）数值模拟是分析和优化集成电路（IC）封装设计的非常有效的工具。 特别地，在PCB组件的振动可靠性方面的数值模拟已经被用于模拟动态行为。
有效的有限元分析将有助于检测潜在的故障并预测焊点的可靠性。 为了评估PCB组件在振动和冲击载荷下的可靠性，不同的建模技术， 例如一个子模型方法，已被应用于执行动态响应分析[1-4]。 例如，Che和Pang [5]开发了一种子模型方法来进行准静态谐波响应分析。研究人员还结合振动试验和有限元模拟分析来预测焊点的疲劳寿命[ 6 - 8 ]。Chen[ 6 ]结合振动分析与有限元分析预测的疲劳寿命的球栅阵列（BGA）组件，使用三维建模技术模拟的振动响应的BGA焊点上的印刷布线组件。建议使用各种封装尺寸、焊球结构和更标准的振动剖面。一种快速的BGA焊接焊点的热循环和振动负载条件下的寿命预测方法已开发[ 9 ]。Cinar等人。[ 10 ]使用一个全球性的局部建模技术来计算由于谐波激发焊点的应力大小。
在振动环境中使用的大多数电子系统进行随机振动负载，而不是谐波激发。随机振动载荷作用下的失效机理和疲劳寿命预测模型越来越受到研究者的关注。Barker等。[11,12]提出振动疲劳寿命估算的含铅表面贴装元件的分析方法。wang等。[13]采用了一个三波段技术，建立了BGA焊点的振动疲劳寿命预测模型。Li [ 14 ]提出了一种汽车主动振动环境下铅/焊点失效分析和疲劳预测方法。tang等。[15]研究了不同结构参数对随机振动下应力分布的影响。吴[ 16 ]开发了一种快速评估方法，可以确定BGA焊点和芯片级封装（CSP）的振动疲劳载荷下的寿命。在以前的研究中[ 17 ]，研究人员发现当分受不同的加速度PSD的振幅振动载荷时候无铅BGA焊点失效的位置会有从疲劳裂纹到脆性雷文的不同的失效模式。大振幅振动载荷作用下的破坏模式与跌落冲击载荷相似。
本文在模态试验和模态仿真的基础上，建立了有限元模型，进一步研究了BGA焊点的动态特性和失效机理。随机振动仿真的结果以随机振动试验的实验数据来验证。研究了预紧力和随机振动强度对焊点可靠性的影响。将通常用于预测机械结构疲劳寿命的Miner规则和随机振动理论创新性地应用于到了BGA封装的疲劳寿命评估，有利于PCB组件的优化设计。
- 试验过程
PCB组件是一个八层的圆形FR4板直径160毫米和1毫米的厚度。印刷电路板组装包括封装，焊接掩模，分芯，铜垫，焊球，和PCB。八BGA封装年龄是中心对称安装在PCB上。对BGA封装的尺寸是11毫米times;13毫米，有103个焊球每个BGA封装。无铅焊料是96.5Sn3.0Ag0.5Cu，和焊球间距为0.80毫米。在室温下PCB组件的所有材料特性见表1。
首先采用非接触式电视激光全息技术进行实验模态测试，得到固有频率和模式形状。然后，进行窄带随机激发。其中心频率为第一阶固有频率，输入加速度PSD振幅为常数值（如60（m / s2）2 / Hz）。振动试验系统如图1所示。 1.通过8个螺丝将测试车辆安装在固定的固定装置上，该固定装置拧到振动筛（LDS V8-640T）上。扭矩扳手用于确定8个螺钉上的预紧力。具体来说，随机振动试验中的预紧力与模态试验相同。因此，在模态模拟和随机振动模拟中可以采用相同的边界条件。 LMS仪器（④）用于执行摇台的反馈控制。采用激光位移传感器（）来确定PCB组件的中枢动态响应。索尼数据采集仪器（⑨）同时测量菊花链环。参考文献[17]报道了详细的实验程序。
对四种不同的加速度PSD振幅进行了振动疲劳试验。四个加速度PSD振幅为60(m / s2)2 / Hz,80(m / s2)2 / Hz,120(m / s2)2 / Hz，和160(m / s2)2 / Hz，它们的中心频率和带宽分别是第一个自然的频率和20hz。平均故障时间为1830.00 s,1509.75 s,1202.21 s和720.31 s。另外，当加速度PSD振幅为5(m / s2)2 / Hz时，振动测试是预先形成的，频率范围在50赫兹到500hz之间。采用激光位移传感器对不同振动荷载下的中心位移响应进行了分析。
表 1
PCB组件的材料特性
|
Cu |
Package |
PCB |
SM |
Sub-core |
Solder |
|
|
密度(kg/m3) |
9000 |
1035 |
2680 |
1000 |
1570 |
8410 |
|
模数 (GPa) |
110 |
27 |
22.5 |
5 |
21 |
42.5 |
|
泊松比 |
0.34 |
0.3 |
0.12 |
0.467 |
0.25 |
0.4 |
获得了PCB组件的中心位移记录。分析实验数据,鉴于X(t)是各态历经的平稳随机过程的样本函数X(t),RMS的变量X(t)是fs和铁上下界的频率范围(即50 - 500赫兹在这项研究),分别;E(x)是期望;SXX(f)是自动PSD功能;f是频率;G(f)是一个片面的PSD函数。注意，Eq(1)对应力/位移评估也有效，以获得压力RMS和标准偏差值.
3.有限元模拟
3.1模态仿真
在实验模态分析的基础上，建立了一种有效的等价模型，由刘[18]提出。采用这种建模方法，采用ABAQUS软件建立了三维有限元模型，并选择了C3D8R固体元件类型。图2显示了PCB组件的FE模型和焊接球的第四个单元组装。有限元模型包括该模型由245,937个元素和318000个节点组成，保证了足够的精度和适度的计算效率。摘要首先通过对块兰兹os方法进行模态分析，
Fig. 2. FE model of circular PCB assembly
Fig. 3. Comparison of natural frequencies and mode shapes from FEA and model test.
得到了PCB组件的动态特性，并通过模态叠加法对其固有频率和模态形状进行了频谱响应分析。由于PCB装配边界条件的中心对称，第二和第四阶模态的形状类似于第三种和五阶模态，分别为[20]。图3显示了前两种阶模态的形状和固有频率的比较，即相似模式形状的频率大致相同，但网格密度不均匀。f1T和f2T是两阶自然频率从模态测试，f1M和f2M是前两阶自然频率从模态模拟。有限元模拟结果与实验数据吻合较好，这两种频率分别为200.00赫兹和439.00赫兹。
3.2.随机振动仿真
ABAQUS软件实现随机振动分析(频谱分析)。进行模态分析后，提取了前五种模态。然后，建立了自由-量值带，并利用基激发对随机振动响应进行了压缩。边界条件与模态模拟相似。随机振动载荷可以方便地以PSD函数的形式来描述为随机过程。典型的动态负载被建模为一个相关的PSD复合矩阵。通过采用ABAQUS频率响应模块，有效地模拟了PCB总成的应力和位移等随机振动响应。由于随机振动响应可以用模态叠
全文共13557字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[143629]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
