球柵陣列無鉛焊點隨機振動載荷下失效機理與壽命預測.pdf

1、現(xiàn)代電子設備服役期間除了熱應力,還會遭受許多不同形式的振動與加速度水平,比如應用在航空航天、汽車或軍用設備上的微電子產(chǎn)品在使用過程中往往處于嚴重的振動環(huán)境,其可靠性將受到很大的影響,而且美國空軍AVIP(Avionics Integrity Program)已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明20％電子產(chǎn)品失效是源于振動沖擊。焊點承擔電氣連接與機械連接的雙重作用,因而焊點的可靠性是電子產(chǎn)品設計和使用時的核心問題之一。板級連接焊點在服役過程中雖然伴隨著循環(huán)的

2、熱—機械應力作用,易發(fā)生熱疲勞和蠕變;但若處于嚴重的振動沖擊環(huán)境中,極易導致產(chǎn)品的機械或功能損壞,很多產(chǎn)品在遠未達到熱疲勞壽命時就由于振動沖擊引發(fā)產(chǎn)品性能故障。板級連接焊點的振動可靠性問題己成為電子工業(yè)界亟待解決的研究課題。電子工業(yè)的“無鉛化”成為發(fā)展的必然趨勢,因此,開展無鉛電子產(chǎn)品板級連接焊點的可靠性研究具有重要意義。雖然對無鉛焊點振動可靠性的研究越來越多,但絕大部分學者都是考慮簡諧激勵下板級封裝無鉛焊點的振動可靠性,而實際上,處在

3、振動環(huán)境中的大多數(shù)電子設備都是遭受隨機激勵而不是簡諧激勵。
　　 因此本項目以電子產(chǎn)品中廣泛應用的球柵陣列(Ball grid array,簡稱BGA)封裝為研究對象,致力于隨機振動載荷下BGA無鉛焊點的失效機理與壽命預測研究,尋找隨機振動載荷下BGA無鉛焊點的失效規(guī)律,以提高焊點可靠性為研究目標,開展了一系列實驗、數(shù)值模擬與理論研究。
　　 1.采用錘擊法與非接觸式激光電視全息技術兩種方法分別對試件進行實驗模態(tài)分析.后

4、者能得到更好的測試結(jié)果。激光全息技術利用VibroMap1000激光測振系統(tǒng)對試件進行了三個不同位置激勵及不同邊界預緊力的模態(tài)實驗,探求這幾種情形對試件實驗模態(tài)分析結(jié)果的影響。
　　 2.詳細論述了試件的窄帶隨機振動疲勞實驗過程與方法,將金相實驗分析、能譜分析與動態(tài)電壓變化情況相結(jié)合研究BGA無鉛焊點的失效機理。從試驗過程與分析結(jié)果得出如下結(jié)論:隨機振動載荷下PCB組件上BGA封裝外圍拐角處焊點最先失效;隨機振動過程中板級封裝無

5、鉛焊點失效的根本原因是機械振動和PCB往復彎曲使拐角焊點承受反復的拉壓循環(huán)應力導致的;隨著輸入加速度功率譜密度(PSD)幅值增大,BGA無鉛焊點的失效模式亦不相同(從靠近PCB一側(cè)的焊球體的疲勞斷裂演變?yōu)榭拷麭GA一側(cè)的Ni/金屬間化合物(IMC)間的脆性斷裂)。
　　 3.建立三維有限元模型,采用基礎激勵法模擬了隨機振動載荷下試件的動力響應。比較實驗數(shù)據(jù)與模擬分析得到的PCB中心位移的PSD和均方根(RMS)結(jié)果驗證了模型的有