球栅阵列PBGA焊点界面反应及热疲劳可靠性研究

【摘要】在市场竞争和消费者需求的带动下,电子产品的设计采用越来越小的器件以提高印刷电路板PCB(PrintedCircuitBoard)的利用率,表面贴装技术SMT(SurfaceMountTechnology)便于实现自动化生产并可以降低生产成本,从而得到广泛的应用。SMT器件在温度循环效应下的应力应变基本由焊点独自承担,随着电子产品集成度的不断提高,电子器件封装在一个越来越小的空间内,焊点承受的应力应变及热流密度也不断提高,对SMT焊点的可靠性相应提出了更高的要求。因此,焊点可靠性一直是电子产品的研究热点问题之一。不断减小的SMT焊点几何尺寸,使焊点的力学性能表现出越来越强的尺寸效应,掌握焊点在生产制造和使用过程中的力学行为,就可以通过改进产品的设计、元器件的选择和调整生产制造工艺等方法来提高焊点的可靠性。本文以球栅阵列PBGA(PlasticBallGridArray)为例,对Sn-3.8Ag-0.7Cu焊点的可靠性进行了比较系统的分析研究。主要工作如下：对具有双界面的Cu-SnAgCu-Ni(P)PBGA焊点进行了温度循环可靠性试验,并对焊料与界面金属间化合物的形貌及其演化进行了分析研究。在液态及固态反应中,焊点上、下界面之间存在一定的耦合效应。在Ni(P)层界面,印刷电路板Cu焊盘一侧Cu原子的持续扩散促进了Ni(P)界面金属间化合物的生长；而在Cu层界面,PBGA器件一侧Ni原子的扩散对Cu界面的Cu6Sn5析出有一定的抑制作用。在循环温度试验下,PBGA器件一侧界面区域为焊点的薄弱环节,焊点断裂失效的位置均发生在PBGA器件一侧,且位于边缘位置的焊点容易发生热疲劳开裂。基于热-弹塑性理论,建立PBGASn-3.8Ag-0.7Cu无铅焊点的回流焊接有限元模型,采用ANSYS生死单元法和热-结构耦合功能,对焊点回流焊的冷却固化过程进行了有限元模拟分析。PBGA组件在回流焊冷却过程中,由于材料间热性能的差异形成不均匀温度场,引起焊点产生较大的焊接应力。从模拟的结果来看,焊点在回流焊接过程中的开裂有可能是发生在焊料冷凝固化的初期,并在界面高应力集中区首先开裂。采用统一Anand粘塑性本构模型对PBGA无铅焊点在温度循环过程中的力学行为进行分析。温度循环过程中,边缘焊点在周期性温度载荷作用下承受更大的应力应变。焊点与PBGA器件和PCB板连接面两侧均有明显的应力集中现象。材料间热膨胀失配和焊料的弹性模量在低温时相对较高的特性,使焊点在循环温度载荷下等效应力峰值发生在低温保持开始时刻。应力随循环温度载荷呈周期性变化,具有明显的迭加趋势。由于界面金属间化合物(IntermetallicCompounds,IMCs)与焊料在材料热性能上的巨大差异,使界面金属间化合物内部聚集了较大的应力,同时界面金属间化合物为本征硬脆性材料,聚集的应力难以通过塑性流动的方式释放掉,因此焊料在界面高应力集中区产生更大的塑性变形。以球栅阵列PBGA器件为例,基于应用广泛的EngelmaierC-M(Coffin-Manson)修正式,考虑焊点几何参数和温度参数的随机性,建立了无铅焊点简化几何模型和热疲劳寿命预测的概率求解方法。针对生产制造过程所导致的焊点几何参数随机性和产品在实际服役过程中环境温度的不确定性对热疲劳寿命的影响进行量化分析,并研究了各随机变量对焊点热疲劳寿命的影响程度。
【作者】魏鹤琳；
【导师】王奎升；
【作者基本信息】北京化工大学，机械设计及理论，2011，博士
【关键词】球栅阵列；无铅焊点；界面反应；金属间化合物；热疲劳寿命；可靠性；

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