BGA熱疲勞仿真報告

1、1.1 電子封裝發(fā)展過程為了便于晶體管在電路中使用和焊接，要有外殼外接引腳；為了固定半導(dǎo)體芯片，要有支撐它的外殼底座；為了防護芯片不受大氣環(huán)境污染，也為了使其堅固耐用，就必須有把芯片密封起來的外殼等，這樣產(chǎn)生了微電子封裝技術(shù)。概括起來，微電子封裝技術(shù)經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：第一階段：20世紀60、70年代，IC芯片的制造還處于初始階段，集成度很低，對IC封裝沒有更多的要求。此階段采用了以雙列直插(DIP)為主，以單列直插式(SU）與針柵陣列(PGA)為輔的封裝。特點是封裝尺寸大，占印刷電路板(PCB)面積大，集成度和頻率難以提高。第二階段：進入80年代，出現(xiàn)了表面組裝技術(shù)(SMT)，該技術(shù)以回

2、流焊代替波峰焊，進一步提高了PCB成品率，對IC的封裝提出了新要求，開發(fā)出了塑封有引線芯片載體(PLCC)、四邊引出線扁平封裝(QFP)的緊湊型封裝。第三階段：90年代中前期，隨著個人計算機的普遍使用，帶來了計算機產(chǎn)業(yè)質(zhì)與量上的重大變化，原有的PLCC、QFP、封裝上的系統(tǒng)(SOP)已不能滿足它的發(fā)展要求，從而進一步引入了更小更薄的封裝形式：窄間距小外形封裝(SSOP)、窄間距四邊引出線扁平封裝(SQFP)、內(nèi)引線的球柵陣列(BGA)封裝及殼內(nèi)系統(tǒng)封裝(SIP)。特別是BGA封裝形式，使IC引出腳大大增加。至此，多年來一直大大滯后于芯片發(fā)展的微電子封裝，由于BGA的開發(fā)成功而終于能夠適應(yīng)芯片發(fā)

3、展的步伐。第四階段：IT產(chǎn)業(yè)的不斷繁榮，促進了電子設(shè)備向高性能、高集成、高可靠性方向發(fā)展，而支持其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)就是IC組裝技術(shù)。封裝技術(shù)進入了高速發(fā)展期，先進的封裝技術(shù)和形式不斷涌現(xiàn)，如多芯片組件技術(shù)(MCM)、芯片尺寸封裝技術(shù)(CSP)、芯片直接貼裝技術(shù)（DCA)、晶圓規(guī)模集成技術(shù)(WSI)等。其中，CSP主要是由BGA向小型化、薄型化方向發(fā)展而形成的一類嶄新的封裝形式。1.2 電子封裝分級從一個晶體管到幾個集成電路板，電子封裝技術(shù)可以分為以下五級：(1)零級封裝。包括芯片粘接和芯片互連技術(shù)。芯片粘接只需將芯片固定安裝在基板上，方法有Au-Si合金共熔法、Pb-Sn合金片焊接法、導(dǎo)電膠粘接

4、法、有機樹脂基粘接法；芯片互連技術(shù)包括引線鍵合(Wire Bonding)、載帶自動焊(Tape Automated Bonding)和倒裝焊腰（Flip Chip Bonding)-種。(2)一級封裝。它是將一個或多個IC芯片用適宜的材料(金屬、陶瓷、塑料或它們的組合)封裝起來，同時在芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳間用上述三種芯片互連方法連接起來，使之成為有實用功能的電子元器件或組件。該級封裝包括封裝外殼制作在內(nèi)的單芯片組件(SCM)和多芯片組（MCM)兩大類，在各個不同的發(fā)展時期都有相應(yīng)的封裝形式(3)二級封裝。這一級封裝實際上是組裝，即將上一級各種微電子封裝產(chǎn)品、各類元器件及板上芯片(Chip

5、 On Broad)-同安裝到PWB或其他基板上。該級組裝技術(shù)包括通孔安裝技術(shù)(THT)、表面安裝技術(shù)（SMT）和芯片直接安裝技術(shù)(DCA)三部分。(4)三級封裝。這是一級密度更高、功能更全、更加龐大復(fù)雜的組裝技術(shù)，是由二級組裝的各個插板或插卡再共同插裝在一個更大的母板上構(gòu)成的，是一種立體組裝技術(shù)。(5)三維(3D)封裝。以上所述的幾種微電子封裝技術(shù)都是在xy平面內(nèi)實現(xiàn)的二維(2D)封裝。由于電子產(chǎn)品小型化、輕型化、薄型化等高密度封裝的要求，電子封裝必然要在二維的基礎(chǔ)上向z方向發(fā)展，形成三維封裝技術(shù)。3D封裝主要包括三種方法：埋置型、有源基板型和疊層法。在零級和一級封裝中，倒裝焊(FCB)技術(shù)

6、得到了廣泛應(yīng)用，該技術(shù)是最有前途的一種芯片互連技術(shù)，它比WB和TAB的綜合性能高，是正在迅速發(fā)展和應(yīng)用的高新技術(shù)。圖1-1 圖1-1給出了印刷電路板上的塑料球柵陣列(PBGA)、芯片尺度封裝(CSP)和直接芯片貼裝(DCA)結(jié)構(gòu)示意圖。PBGA和CSP都是高密度器件封裝，而DCA則省略了器件封裝這一環(huán)節(jié)。2.1 BGA封裝簡介球形觸點陣列(BGA)是近幾年才迅速發(fā)展起來的最新表面安裝技術(shù)中的一類封裝形式。它是在基板的背面按陣列方式制出球形觸點作為引腳，在基板正面裝配集成電路，而形成的一種表面貼裝技術(shù)。按基板材料的類型，BGA的封裝類型主要有：塑料球柵陣列(Plastic Ball Grid A

7、rray，簡稱PBGA)、陶瓷球柵陣列(Ceramic Ball Grid Array，簡稱CBGA)、陶瓷柱柵陣列(Ceramic Column Grid Array，簡稱CCGA)、載帶自動鍵合球珊陣列(Tape Automatic Ball Grid Array，簡稱TBGA)。BGA焊球直徑有0.89mm和0.76mm等多種，間距通常由1.27mm和1.Omm。這種封裝器件具有以下特點：1器件引腳很短，使信號路徑短，減小了引線電感和電容，增強了電性能；2改善共面問題，再流焊時具有自對正效應(yīng)；3能與原有的SMT貼裝工藝和設(shè)備兼容，原有絲印機、貼片機和再流焊設(shè)備都能使用；4BGA適合MCM

8、的封裝需要，有利于實現(xiàn)MCM的高密度、高性能。當(dāng)然，BGA本身尚具有一些不盡人意之處：1焊點隱藏在封裝之下，焊點質(zhì)量檢測困難：2BGA的返修需要專用設(shè)備；3BGA的可靠性問題。2.2.1 CBGA與銅或合金引腳(線)相比，球形焊點更便宜，也非常適應(yīng)SMT生產(chǎn)技術(shù)的要求，因此各大芯片制造公司(如Motorola，IBM，Hitachi，NEC等)紛紛將PGA(Pin Grid Array)針柵陣列封裝中的插針用焊球來代替，從而演變出CBGA陶瓷球柵陣列封裝。陶瓷封裝因其良好的氣密性，而主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。CBGA采用了多層陶瓷基底，并使用了兩種不同的焊點連接方式。一種是在小一點的陶瓷基片上，采用

9、了球形焊點：另一種連接方法是更大的陶瓷基片上采用柱形焊點，它現(xiàn)在被稱為陶瓷柱形網(wǎng)格陣列封裝(Ceramic Column Grid Array， CCGA)。圖2-1 典型CBGA結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 PBGA由于BT樹脂(雙馬來酞亞胺三氮雜苯樹脂)或聚酰亞氨(PI)比陶瓷便宜，并且有很好的電性能，因此被用來代替CBGA中的陶瓷基底，并用塑料將基底與晶片密封起來，形成塑料球柵陣列封裝(PBGA)，應(yīng)用于民用。釬料球(Solder ball)組成為共晶釬科63Sn37Pb或62Sn36Pb2Ag，目前釬料球直徑分為0.76mm、0.5mm和0.3mm幾種，間距一般為1.5mm、1.27mm和1m

10、m。早在1989年，Motorola公司就由類似PBGA形式的封裝器件成功用于便攜式的電子產(chǎn)品中。圖2-2 典型PBGA結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2為典型的PBGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖。封裝時首先采用導(dǎo)電的芯片粘接劑將Si芯片與BT樹脂基板粘接起來，再通過印刷銅導(dǎo)線和過孔將電路引至BT基片底部的焊盤陣列。為了保護芯片不受損壞，采用模壓化合物對芯片進行密封，最后將共晶釬料球與基板上的cu焊盤(Pad)連接起來形成釬料凸點(Solder bump)，這些以陣列方式排列的釬料凸點即為PBGA封裝器件的I/0引腳。2.3.1 ANAND本構(gòu)模型在BGA熱疲勞壽命預(yù)測中的應(yīng)用黏性形變是指黏性物體在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生不可

11、逆的流動形變，該形變隨時間的增大而增大，具有率相關(guān)的特性；塑性是指材料在外應(yīng)力去除后仍能保持部分應(yīng)變的特性，材料發(fā)生塑性形變而不斷裂的能力稱為延展性，塑性變形與時間無關(guān)，具有率無關(guān)性；蠕變是指在恒定應(yīng)力作用下材料的應(yīng)變隨時間增加而逐漸增大的現(xiàn)象，低溫下表現(xiàn)為脆性的材料，在高溫下往往具有不同程度的蠕變性為，蠕變與時間相關(guān)，具有率相關(guān)性。自然界中實際存在的材料，其形變一般介于理想彈性固體與理想黏性液體之間，既具有固體的彈性，又具有液體的黏性，即黏彈性。黏彈性材料的力學(xué)性質(zhì)與時間有關(guān)，具有力學(xué)松弛的特性，常見的力學(xué)松弛現(xiàn)象有蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和力損耗等。焊點的壽命預(yù)測一直是焊點可靠性問題的重要內(nèi)容

12、，已經(jīng)提出了多種壽命預(yù)測模型，如基于應(yīng)變范圍的Coffin-Manson經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、基于斷裂力學(xué)的裂紋擴展模型和基于損傷累積的能量模型等。當(dāng)前普遍認為，SnPb類焊點在熱循環(huán)條件下的失效機制是蠕變疲勞的交互作用，SnPb焊點的失效斷口既有疲勞斷裂的疲勞輝紋，又具有蠕變斷裂特征的沿晶輝紋。這是因為焊點的熔點較低，在常溫時就已經(jīng)發(fā)生了不可忽略的蠕變。所以單純應(yīng)用傳統(tǒng)的疲勞分析模塊是不足以預(yù)測焊點的熱疲勞壽命的，在進行有限元分析時，必須考慮蠕變效應(yīng)。在溫度循環(huán)加載或者功率循環(huán)加載實驗中，對于SnPb焊點釬料通常采用兩種不同的理論來描述其非彈性行為。一種是采用與時間無關(guān)的塑性形變和與時間有關(guān)的蠕變形變分

13、開處理的模型：另一種則透過建立統(tǒng)一型粘塑性本構(gòu)模型來對其進行分析。與前者相比，采用統(tǒng)一型粘塑性本構(gòu)模型避免了大量材料常數(shù)的定義，而且從連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)角度出發(fā)，塑性形變和蠕變產(chǎn)生于同一機制，即位錯理論，并考慮到SnPb基釬料具有較強的溫度和加載速率的相關(guān)性，所以采用統(tǒng)一型粘塑性本構(gòu)關(guān)系能更準(zhǔn)確逑反映材料力學(xué)行必。統(tǒng)一型粘塑性本構(gòu)方程與傳統(tǒng)塑性本構(gòu)理論不同的是，它考慮材料內(nèi)部狀態(tài)變化對形變的影響，導(dǎo)致在本構(gòu)方程中引入內(nèi)部變量，并用準(zhǔn)確的演化方程描述內(nèi)部變量。目前，已發(fā)展了多種形式的粘塑性本構(gòu)模型，其中比較有代表性的有：(1)Miller模型；(2)Bodncr-Partom模型；(3)Anand模

14、型。由于Anand本構(gòu)方程同時描述塑性和蠕變形變時準(zhǔn)確可靠，并且在ANSYS中可以方便地定義與調(diào)用，因此本文采用Anand本構(gòu)模型來分析釬料的力學(xué)行為。1982年，Anand等人根據(jù)金屬的高溫成形采用單一內(nèi)變量描述材料內(nèi)與時聞有關(guān)及無關(guān)的非彈性形變，建立了金屬熱成形的粘塑性本構(gòu)模型ANAND模型。和其他材料模式相比，它具有兩個基本特征：(1)在應(yīng)力空間沒有明確的屈服面，因此在形變過程中，不需要加載卸載準(zhǔn)則，塑性形交在所有非零應(yīng)力條件下產(chǎn)生；(2)采用單一內(nèi)部變量描述材料內(nèi)部狀態(tài)對非彈性流動的阻抗。內(nèi)部變量(或稱形變阻抗)用s標(biāo)記，具有應(yīng)力量綱。Anand本構(gòu)模型可以反映粘塑性材料與應(yīng)變速率、溫

15、度相關(guān)的形變行為，以及應(yīng)變率歷史效應(yīng)、應(yīng)變硬化和動態(tài)回復(fù)等特征。在ANSYSWorkbench中可以方便地定義ANAND本構(gòu)模型的材料參數(shù)，ANAND本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)一共有九個，常見的63Sn37Pb的ANAND參數(shù)如下表所示：S0(MPa)Q/RA(s-1)h0(MPa)ms(MPa)na56.33108301.49E7112640.750.30380.4150.02311.34表2-1 63Sn37Pb由于金屬的高溫成形與釬料的熱循環(huán)響應(yīng)產(chǎn)生于相似的位錯運動機制，具有相同的粘塑性特征，所以它在釬料力學(xué)性能的研究方面的到廣泛的應(yīng)用。Anand模型在商用軟件ANSYS程序中可以獲得，且使用對

16、需要較小的CPU消耗(如對于同一個蠕變問題，Anand模型的計算時間是冪指數(shù)型的六分之一)。在Workbench中可以調(diào)用Transient Structural模塊仿真在熱循環(huán)載荷下的具有粘塑性材料參數(shù)的BGA焊球的力學(xué)行為。圖2-3 焊球的材料參數(shù)2.3.2 科芬-曼森疲勞壽命預(yù)測模型通過壽命預(yù)測模型，可利用有限元模擬的結(jié)果預(yù)測出封裝組件的壽命。針對封裝組件來說，依照不同的破壞信息，可將壽命預(yù)測模型分成主要四類：(1)以塑性形變?yōu)榛A(chǔ)的預(yù)測模型。該模型著重于與時間無關(guān)的塑性效應(yīng)，比較有代表性的是Coffin-Manson疲勞模型、Soloman疲勞模型和Engelmaier疲勞模型。這些模

17、型提供了破壞循環(huán)數(shù)與每一循環(huán)焊點剪切塑性應(yīng)變大小的經(jīng)驗關(guān)系；(2)以蠕變形變?yōu)榛A(chǔ)的預(yù)測模型。該模型考慮與時間相關(guān)的效應(yīng)，蠕變形變是影響焊點壽命的重要因素，其機制相當(dāng)復(fù)雜，至今仍無模型能完全預(yù)測其整個過程。比較有代表性的有Kencht-Fox模型和Syed模型，但因忽略塑性形變，故無法準(zhǔn)確預(yù)測所有的產(chǎn)品；(3)以能量為基礎(chǔ)的預(yù)測模型。該模型較新，考慮到應(yīng)力與應(yīng)變的遲滯能量，通過計算每一次循環(huán)的應(yīng)變能或者應(yīng)變能密度，從而得出與焊點壽命之間的聯(lián)系。比較有代表性的有Akayi模型和Darveaux模型；其中，Darveaux模型在ABAQUS仿真分析中應(yīng)用較多；(4)以斷裂參量為基礎(chǔ)的預(yù)測模型。該模

18、型以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，計算裂紋的擴展，累積其過程所造成的破壞效應(yīng)，已經(jīng)在表征工程材料的彈塑性斷裂和疲勞中得到了成功的應(yīng)用。在焊點的壽命研究方面，具有代表性的有Lau和Pao等人的模型。電子封裝SnPb焊點失效是低周疲勞失效。目前，焊點熱循環(huán)失效的壽命模式主要以低周疲勞的Coffin-Manson方程(簡稱C-M方程)為基礎(chǔ)，即材料的低周疲勞壽命(Nf)和塑性應(yīng)變范圍()之間符合如下經(jīng)驗關(guān)系： （2-1）式中，f是疲勞韌性系數(shù)；c是疲勞韌性指數(shù)。該方程是研究材料低周應(yīng)變疲勞的重要公式。Solomon采用C-M方程研究了Sn60Pb40釬料的等溫疲勞性能，得到在-55+125范圍內(nèi)，釬料的疲勞壽命和

19、剪切塑性應(yīng)變范圍間關(guān)系為： （2-2）由于SnPb焊點熱循環(huán)失效的影響因素很多，在具體應(yīng)用中，C-M方程被修正成多種形式。例如：Engelmaier同時考慮熱循環(huán)溫度和頻率的影響，C-M方程被修正為： （2-3）其中，c為疲勞韌性指數(shù)，與頻率和溫度有關(guān)： （2-4）Tm為熱循環(huán)平均溫度，單位為；f為熱循環(huán)頻率，單位為cycle/day；3.1 基于Workbench的BGA疲勞壽命的仿真預(yù)測常見的非線性分析分為三種：幾何大變形，材料非線性與接觸非線性（狀態(tài)非線性）。由于考慮到粘塑性問題，所以此類分析屬于材料非線性，同時由于計算了5個溫度循環(huán)周期，總時間10080秒，所以這個問題屬于瞬態(tài)動力學(xué)范

20、疇，綜合來看，此類問題屬于非線性瞬態(tài)動力學(xué)問題。關(guān)于非線性需要注意的問題：（1）打開大變形選項，允許程序考慮大變形效應(yīng)；（2）ANSYS解決非線性問題采用的是牛頓-拉夫遜迭代算法：ANSYS求解非線性問題的思路是將問題分解成多個載荷步，在每個載荷步內(nèi)將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題，并且通過線性求解的結(jié)果來調(diào)整剛度子矩陣，因此，非線性問題在程序上的表現(xiàn)就是模型的剛度矩陣不再是固定不變的，而是與空間和時間相關(guān)的，而程序的任務(wù)就是調(diào)整剛度矩陣，使其在每一個載荷步內(nèi)接近該載荷步內(nèi)剛度矩陣的真實值。圖3-1 牛頓-拉普森迭代示意但是，純粹的增量近似不可避免地要隨著每一個載荷增量積累誤差，導(dǎo)種結(jié)果最終失去平衡

21、，產(chǎn)生非常大的誤差。ANSYS程序通過使用牛頓拉普森平衡迭代克服了這種困難，它迫使在每一個載荷增量的末端解達到平衡收斂（在某個容限范圍內(nèi)），在程序上的實現(xiàn)方法是利用切向剛度矩陣不斷迭代調(diào)整當(dāng)前剛度矩陣，將每一次迭代計算產(chǎn)生模型內(nèi)力與外力相減，得到一個殘余力的向量，并對這個向量求范數(shù)，這個范數(shù)就是迭代殘差，迭代殘差接近0，就代表這內(nèi)力與外力平衡，此時剛度矩陣最接近于真實值。在非線性仿真時經(jīng)常遇到不收斂的情況，此時選擇輸出最近幾步的牛頓殘差，觀察哪些部分牛頓迭代殘差較大，就可以知道是哪里出現(xiàn)了問題，以修改模型。（3）關(guān)于接觸剛度有時不適合的接觸剛度會導(dǎo)致迭代不收斂，如下圖所示，在進行非線性求解時發(fā)

22、生了不收斂，檢查牛頓殘差時發(fā)現(xiàn)在接觸區(qū)域出現(xiàn)了較大的值，此時可以斷定是接觸出了問題，所以可以通過降低接觸剛度來解決。接觸剛度的默認值為1，最小可以調(diào)到0.0001，而接觸形式選擇純懲罰形式也會改善收斂性。圖3-2 接觸剛度過高（4）合理控制時間步與網(wǎng)格密度在進行非線性仿真時還容易出現(xiàn)以下提示信息：An Internal Solution Magnitude Limit Was Exceeded.或者The solver engine was unable to converge on a solution for the nonlinear problem as constrained.出現(xiàn)這

23、兩種錯誤的原因有以下幾種是采用了不適當(dāng)?shù)募s束或者過大的載荷，在BGA分析中出現(xiàn)此類問題很可能是由于在某些時間步中載荷變化過大，比如在溫度上升下降的部分如果分的時間步長較大，就容易出現(xiàn)這種情況，這時可以在需要細化時間步的位置單獨設(shè)置一個載荷步，在此載荷步內(nèi)設(shè)置較多的時間步數(shù)就可以解決這個問題；另外如果在一些關(guān)鍵部位網(wǎng)格劃分過于粗糙也會導(dǎo)致結(jié)果不收斂，此時需要考慮細化網(wǎng)格以改善收斂性。（5）建模錯誤導(dǎo)致的特殊情況圖3-3 建模錯誤導(dǎo)致的特殊情況在圖3-3所示圖中，給出了當(dāng)?shù)皇諗繒r的牛頓殘差分布，發(fā)現(xiàn)在芯片上出現(xiàn)了較大的迭代殘余力，一般來說應(yīng)該是在芯片表面與塑封體的接觸上出了問題，但是經(jīng)過檢查后

24、發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致結(jié)果不收斂的原因是模型存在錯誤：焊球與PCB板在建模時由于裝配不當(dāng)存在空隙，導(dǎo)致基板、芯片和塑封體“懸空”而自由熱膨脹。所以當(dāng)結(jié)果不收斂檢查牛頓迭代殘余力時要注意不一定是殘余力大的部位導(dǎo)致不收斂，錯誤原因也可能出現(xiàn)在其他部位。在本模型中，當(dāng)去除了焊球與PCB板間的間隙之后，求解就收斂了。內(nèi)部芯片塑封體3.2 BGA熱疲勞仿真結(jié)果基板焊球PCB圖3-4 BGA模型示意圖焊球的Anand材料參數(shù)如前所述，其楊氏模量與泊松比定義為與溫度相關(guān)的材料參數(shù)。模型中其他材料參數(shù)如表3-1所示：表3-1 材料參數(shù)名稱楊氏模量（GPa）泊松比熱膨脹系數(shù)（-1）基板220.281.8E-5焊球上下銅墊片

25、1080.3251.67E-5芯片1310.32.8E-6塑封體260.37E-6PCB板220.281.8E-5仿真的循環(huán)溫度載荷如圖3-5所示：圖3-5 模型的循環(huán)溫度載荷條件仿真的總體位移與von-Mises應(yīng)力結(jié)果如圖3-6所示：圖3-6 總體位移云圖與von-Mises應(yīng)力云圖從位移云圖可以得知越遠離芯片中心，基板、塑封體和焊球的位移越大，基板翹曲越厲害，由此我們可以得知越遠離芯片中心焊球的受力情況越惡劣，所以，從焊球陣列的角度來看，焊球陣列中首先出現(xiàn)熱失效的焊球應(yīng)該位于焊球陣列的外圍。從von-Mises應(yīng)力云圖來看，焊球上應(yīng)力最大的部位位于焊球的頂端和低端，所以，從單個焊球的角度

26、來看，焊球上首先出現(xiàn)裂紋的地方應(yīng)該是在焊球與銅墊的結(jié)合部。所以綜合以上兩點，在遠離芯片中心的焊球的上下端是芯片熱失效的危險部位，這與實驗結(jié)果和他人仿真結(jié)果是一致的。圖3-7 位移歷史曲線圖3-7給出了模型的位移歷史曲線，從圖中可以看出，隨著時間的推移、溫度循環(huán)載荷的施加，在每一次循環(huán)中位移也出現(xiàn)了循環(huán)的現(xiàn)象，而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大位移的峰值與谷值也在增加，這是由于在一次次的循環(huán)過程中累積了粘塑性變形的結(jié)果。位移有兩部分組成：彈性變形與粘塑性變形，彈性變形在每次循環(huán)中是固定的，而粘塑性變形是不斷增加的。相應(yīng)的，我們可以得到每一次循環(huán)過程中的塑性應(yīng)變，而根據(jù)塑性應(yīng)變我們可以得到BGA的熱疲勞

27、壽命。圖3-8 模型的塑性應(yīng)變圖3-8給出了模型的塑性應(yīng)變，圖中只有焊球存在塑性應(yīng)變，而其他部件沒有顯示，這是因為只有焊球定義了粘塑性材料，而其他部件只定義了彈性材料，所以沒有塑性變形。并且在圖中可以觀察到，最大的塑性應(yīng)出現(xiàn)在焊球陣列外圍的焊球的上下端，這就是熱疲勞失效的危險部位，這與前面的結(jié)論是一致的。圖3-9 Report中的塑性應(yīng)變圖3-9給出了ANSYS自動生成的報告中塑性應(yīng)變的歷史數(shù)據(jù)，隨著時間的推移，每個周期內(nèi)的塑性應(yīng)變范圍會趨于穩(wěn)定，而塑性應(yīng)變范圍正是預(yù)測熱疲勞壽命的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。報告中給出了每個時間步的塑性應(yīng)變的詳細數(shù)據(jù)值，可以很方便的得到塑性應(yīng)變范圍。在此要注意，科芬曼森疲勞壽命

28、預(yù)測模型中要求給出的是剪切塑性應(yīng)變范圍，而此處求出的是塑性應(yīng)變范圍，需要做一下后處理。最后根據(jù)科芬曼森疲勞壽命預(yù)測模型求出BGA的剪切塑性應(yīng)變范圍為0.034977，熱疲勞壽命是767周，這比較接近中南大學(xué)林丹華的仿真結(jié)果，他是在-55到125之間循環(huán)，他仿真的結(jié)果是剪切塑性應(yīng)變范圍為0.035161，壽命為744周。我們計算的誤差為3.09%。（參見中南大學(xué)林丹華碩士學(xué)位論文PBGA封裝熱可靠性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化一文）3.3 基板材料與PCB板材料的熱配合對熱壽命的影響在能夠預(yù)測BGA的疲勞壽命之后，所做的進一步工作是研究基板和PCB板的材料選擇對焊球會產(chǎn)生什么樣的影響。限于時間原因，這一部分沒有完全做完，但是也得到了一些有用的結(jié)論。根據(jù)之前的仿真經(jīng)驗，可以假設(shè)基板與PCB板對焊球的影響主要取決于熱配合，當(dāng)基板與PCB板的熱配合性較好時也就是熱膨脹系數(shù)較為接近時，那么基板與PCB板在熱膨脹時能夠基本保持一致，使焊球受到的剪切力較??；另外當(dāng)基板與PCB板的熱膨脹系數(shù)都比較小時，也應(yīng)