無(wú)鉛過(guò)渡時(shí)期混合組裝PBGA焊點(diǎn)可靠性及封裝體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、為了應(yīng)對(duì)歐盟的《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令》(RoHS指令)和其它國(guó)家的無(wú)鉛法規(guī),電子制造業(yè)正進(jìn)入一個(gè)無(wú)鉛化的轉(zhuǎn)移過(guò)程。無(wú)鉛轉(zhuǎn)移是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,無(wú)論是從技術(shù)上還是我國(guó)目前的電子制造技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)講,無(wú)鉛轉(zhuǎn)移都將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi)面臨有鉛與無(wú)鉛混合組裝這一過(guò)渡時(shí)期。對(duì)于混合焊點(diǎn),從設(shè)計(jì)到材料,再到整個(gè)組裝工藝都沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可循,焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題將更加突出,組裝工藝更難控制。因此對(duì)混合焊點(diǎn)可靠性進(jìn)行研究,不僅對(duì)當(dāng)前過(guò)渡時(shí)期各類(lèi)

2、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品具有重要應(yīng)用價(jià)值,而且更重要的是對(duì)解決軍工、醫(yī)療、通信基站等高可靠性要求的電子產(chǎn)品的混合組裝問(wèn)題具有重要意義。
　　本文采用有限元數(shù)值模擬方法,針對(duì)PBGA272封裝器件,建立了1/8三維有限元模型,分析了焊點(diǎn)陣列在熱循環(huán)條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,確定了易發(fā)生疲勞失效關(guān)鍵焊點(diǎn)的位置;運(yùn)用子模型分析法,選用以能量為基礎(chǔ)的Darveaux壽命預(yù)測(cè)模型對(duì)混合焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè),并與其它類(lèi)型材料焊點(diǎn)的可靠性進(jìn)

3、行了對(duì)比;然后采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)封裝體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,主要考慮了結(jié)構(gòu)參數(shù)中PCB尺寸、PCB厚度、芯片尺寸、芯片厚度、基板尺寸、基板厚度、焊球高度和焊球半徑這8個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn),采用極差分析、方差分析和在MINITAB中進(jìn)行分析等多種分析方法,得出了各因素對(duì)后向兼容焊點(diǎn)Von-Mises最大等效應(yīng)變的影響程度,并獲得了一組最佳的參數(shù)組合,達(dá)到減少最大等效應(yīng)變的目的,以減少封裝體受破壞的可能性。
　　研究結(jié)果表明,在熱循環(huán)條件

4、下:
　　(1)在PBGA272封裝體1/8對(duì)角線方向上,離中心參考原點(diǎn)最遠(yuǎn)處的焊點(diǎn)(即角落處焊點(diǎn))具有最大等效應(yīng)力、塑性應(yīng)變,易發(fā)生疲勞失效,此位置的焊點(diǎn)為焊點(diǎn)陣列的關(guān)鍵焊點(diǎn)。焊點(diǎn)破壞時(shí),裂紋都是由與基板或PCB接觸面處開(kāi)始發(fā)生。
　　(2)后向兼容焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變呈周期性的變化規(guī)律。恒溫狀態(tài),由于焊點(diǎn)是粘塑性材料,具有潛變性能,維持恒溫有應(yīng)力松弛現(xiàn)象,導(dǎo)致等效應(yīng)力值降低;溫度由125℃降低到-40℃的過(guò)程,應(yīng)力快速上升;-4

5、0℃上升到125℃的過(guò)程,屬于卸載過(guò)程,會(huì)有明顯的應(yīng)力降低現(xiàn)象,因此升溫和降溫過(guò)程對(duì)焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響最大;
　　(3)各材料焊點(diǎn)的熱疲勞壽命趨勢(shì)為:后向兼容焊點(diǎn)(BWC)>無(wú)鉛焊點(diǎn)(LF)>Sn-Pb焊點(diǎn)(Pb)>前向兼容焊點(diǎn)(FWC)。說(shuō)明只要工藝參數(shù)控制合理,無(wú)鉛焊球與錫鉛焊膏達(dá)到充分混合,后向兼容焊點(diǎn)的可靠性是完全可以接受的。
　　(4)封裝體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)后向兼容焊點(diǎn)最大等效應(yīng)變的影響程度為:基板厚度﹥焊點(diǎn)半徑﹥焊點(diǎn)