有限元仿真技術在板級工藝可靠性設計中的應用

1、有限元仿真技術在板級工藝可靠性設計中的應用葉裕明、劉桑華為技術有限公司摘要： 電子產(chǎn)品在生產(chǎn)、運輸、運行階段承受了熱應力、機械應力、振動、碰撞 等惡劣環(huán)境，這對產(chǎn)品的可靠性設計提出了嚴重挑戰(zhàn)。本文介紹了有限元仿真 技術在電子產(chǎn)品板級工藝可靠性設計分析中的應用， 涉及單板機械變形分析、面陣列器件焊點熱應力 分析等。2008.10.1上世紀90年代初，有限元仿真技術開始在電子封 裝及組裝領域廣泛應用，至今已能對電子產(chǎn)品 進行熱分析、結(jié)構(gòu)分析、電磁場分析以及各種 物理場的耦合分析。近年來，業(yè)界在板級工藝可靠性研究中應用仿真技 術關注的重點是：面陣列器件焊點疲勞可靠性評估、面陣 列器件焊點跌落沖擊可靠

2、性評估、PCBA高溫翹曲變形、 PTH疲勞可靠性評估、CSP/Underfill可靠性評估等方面。本文主要對工藝可靠性仿真分析典型模型、材料數(shù) 據(jù)、方法進行了總結(jié)，并結(jié)合實際的案例闡述仿真技術的應用。材料特性 焊點材料1、錫鉛焊料A、焊點材料模型 錫鉛焊點本構(gòu)推薦使用9參數(shù)的Anand粘塑性模型與4參數(shù)的Garofalo蠕變模型，具體如表1和表2所示。B、裂紋擴展模型 對于錫鉛焊點，業(yè)界廣泛采用的是Darveaux裂紋擴展模型：其中，W為單位體積焊點每個循環(huán)中的塑性功增量， 需要注意的是，每個循環(huán)的增量必須保持穩(wěn)定。K1K4為材 料常數(shù)，Darveaux, R.給出了63Sn37Pb焊料的相關

3、系數(shù)1。C、加速因子計算模型 對于錫鉛焊料，業(yè)界公認采用如下加速模型：其中，f為循環(huán)頻率、T為溫度幅值、Tmax為峰值溫度。2、無鉛焊料(SnAgCu)A、焊點材料模型 對于無鉛焊料，由于焊料成份的差別，業(yè)界所用的模型也各有差別，表3列出了不同合金成份的Garofalo模型。B、裂紋擴展模型 一般采用的參量有蠕變應變和蠕變應變密度能，對此有兩種模型可供選擇其中，Nmean為平均壽命、Ncha為特征壽命、aacc為累積 蠕變應變、wacc為累積蠕變應變密度能。C、加速因子計算模型 對于無鉛焊點，目前業(yè)界沒有公認的加速因子計算模型，可以暫時采用Norris-Lanzberg 模型：其中，t為高溫階

4、段保持時間，T為溫度幅值、Tmax為峰值溫度。PCB材料 在仿真模型中，PCB材料是影響結(jié)果的另一個重要 因素，由于實際單板中走線的分布、鋪銅量都有很大的不 同，這將影響PCB的剛度。因此，通過試驗的方法獲取常規(guī) PCB的彈性模量對于真實模擬實際問題有著重要的意義。在試驗中，取1.6mm、2.0mm、2.8mm等幾種常規(guī) 板厚的PCB進行三點彎曲/四點彎曲試驗，結(jié)合材料力學的梁彎曲理論，計算出PCB的等效彈性模量，試驗結(jié)果如圖 2，數(shù)據(jù)的分散性較小，對每組樣本的結(jié)果平均化處理后得 到：18178Mpa、18678Mpa、18024Mpa。此外，走線層 數(shù)(0、2、4、6、8層)對PCB整體彈性

5、模量的影響不大。材料數(shù)據(jù)庫 通過搜集業(yè)界資料和供應商信息，針對常用器件材料 如引腳、塑封、陶瓷、載板、Underfill等，建立了初步材料 數(shù)據(jù)庫，包括彈性模量、泊松比、膨脹系數(shù)等參數(shù)（示意圖如圖3所示）。案例分析面陣列器件焊點熱應力分析1、問題描述 某產(chǎn)品單板需要采用新型的FCBGA器件替代原來使用 的FPBGA器件，但對應的焊盤大小與PBGA差別較大，見表4，根據(jù)幾種可能的組合評估相應的焊點疲勞可靠性。針對FCPBGA，供應商給出了兩種PCB焊盤尺寸的可靠 性數(shù)據(jù)，見表5。表明PCB焊盤尺寸為22mil與18mil對焊點 的可靠性影響不大。同時染色起拔的結(jié)果表明，裂紋在裸芯片底部邊緣的焊點

6、首先萌生。采用對角線條狀模型的優(yōu)勢在于降低計算量，可以將更多的精力關注在局部焊點網(wǎng)格的細化、計算上。3、結(jié)果分析 結(jié)構(gòu)的變形趨勢、危險焊點及其危險區(qū)域如圖5所示，仿真得到的危險區(qū)域與可靠性試驗結(jié)果吻合。在此基礎上，改變PCB焊盤的設計尺寸再計算，并將 危險焊點的蠕變應變密度能取出，結(jié)合文獻1中的參數(shù)，代 入公式(1)和(2)即可得到壽命評估的結(jié)果如表6，可以認為當 SUB pad/PCB pad=1.12時，焊點的壽命最好。此外，參考 其它公司的研究成果后，即可對表4的替換組合作出相應的評估結(jié)果，見表7。單板機械變形分析1、問題描述 某產(chǎn)品單板在安裝了散熱器后單板彎曲變形較為嚴 重，可能會對底

7、面的陶瓷電容等應力敏感器件產(chǎn)生影響； 經(jīng)過分析，認為影響彎曲變形的主要因素可能有螺孔對位 公差、散熱器重量、螺釘預緊力等，利用仿真方法分析了 影響變形的主要因素并對改進措施提供方案。 2、有限元模型 在有限元模型中需要對實際物理模型進行簡化，只需包括PCB、散熱器、墊片、螺栓等，如圖7。3、結(jié)果分析A、影響因素研究 單板在重量為359g散熱器作用下的變形趨勢如圖 8所示，PCB板邊散熱器正下方的Y方向變形最大，與實 際的變形情況吻合。在影響因素分析中，分別單獨考慮 各因素導致的變形量，以對比各因素所占的權(quán)重：對位 公差從0.1mm0.3mm，最大Y方向變形從0.046mm 0.0817mm；散熱器重量從200g359g，最大Y方向變形從 0.36mm0.404mm；螺栓預緊力從1Kg5Kg，最大Y方向變形從0.08mm0.25mm；綜合分析后，三個因素所占的權(quán)重分別為13、50、37，可見散熱器重量是影響變形的主要因素。B、改進措施分析 改進措施一：在滿足散熱要求的前提下減小散熱器的重量。改進措施二：由于最大的變形發(fā)生散熱器的正下方， 為此在散熱器上與4個螺釘對應的位置增加剛性凸臺， 厚度與原來的柔性墊片相同，來增加局部的剛性以抵抗 變形。將剛性墊片的直徑取為螺釘直徑的1.66倍時發(fā)現(xiàn) 變形由0.48mm(0.15mm偏位、359g、20N預緊