有限元仿真技術(shù)在板級(jí)工藝可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、有限元仿真技術(shù)在板級(jí)工藝可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用葉裕明、劉桑華為技術(shù)有限公司摘要： 電子產(chǎn)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、運(yùn)行階段承受了熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、振動(dòng)、碰撞 等惡劣環(huán)境，這對(duì)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。本文介紹了有限元仿真 技術(shù)在電子產(chǎn)品板級(jí)工藝可靠性設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用， 涉及單板機(jī)械變形分析、面陣列器件焊點(diǎn)熱應(yīng)力 分析等。2008.10.1上世紀(jì)90年代初，有限元仿真技術(shù)開(kāi)始在電子封 裝及組裝領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，至今已能對(duì)電子產(chǎn)品 進(jìn)行熱分析、結(jié)構(gòu)分析、電磁場(chǎng)分析以及各種 物理場(chǎng)的耦合分析。近年來(lái)，業(yè)界在板級(jí)工藝可靠性研究中應(yīng)用仿真技 術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)是：面陣列器件焊點(diǎn)疲勞可靠性評(píng)估、面陣 列器件焊點(diǎn)跌落沖擊可靠

2、性評(píng)估、PCBA高溫翹曲變形、 PTH疲勞可靠性評(píng)估、CSP/Underfill可靠性評(píng)估等方面。本文主要對(duì)工藝可靠性仿真分析典型模型、材料數(shù) 據(jù)、方法進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際的案例闡述仿真技術(shù)的應(yīng)用。材料特性 焊點(diǎn)材料1、錫鉛焊料A、焊點(diǎn)材料模型 錫鉛焊點(diǎn)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(kuò)展模型 對(duì)于錫鉛焊點(diǎn)，業(yè)界廣泛采用的是Darveaux裂紋擴(kuò)展模型：其中，W為單位體積焊點(diǎn)每個(gè)循環(huán)中的塑性功增量， 需要注意的是，每個(gè)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(guān)

3、系數(shù)1。C、加速因子計(jì)算模型 對(duì)于錫鉛焊料，業(yè)界公認(rèn)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(wú)鉛焊料(SnAgCu)A、焊點(diǎn)材料模型 對(duì)于無(wú)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(kuò)展模型 一般采用的參量有蠕變應(yīng)變和蠕變應(yīng)變密度能，對(duì)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(yīng)變、wacc為累積蠕變應(yīng)變密度能。C、加速因子計(jì)算模型 對(duì)于無(wú)鉛焊點(diǎn)，目前業(yè)界沒(méi)有公認(rèn)的加速因子計(jì)算模型，可以暫時(shí)采用Norris-Lanzberg 模型：其中，t為高溫階

4、段保持時(shí)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(gè)重要 因素，由于實(shí)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(guò)試驗(yàn)的方法獲取常規(guī) PCB的彈性模量對(duì)于真實(shí)模擬實(shí)際問(wèn)題有著重要的意義。在試驗(yàn)中，取1.6mm、2.0mm、2.8mm等幾種常規(guī) 板厚的PCB進(jìn)行三點(diǎn)彎曲/四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)合材料力學(xué)的梁彎曲理論，計(jì)算出PCB的等效彈性模量，試驗(yàn)結(jié)果如圖 2，數(shù)據(jù)的分散性較小，對(duì)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(duì)PCB整體彈性

5、模量的影響不大。材料數(shù)據(jù)庫(kù) 通過(guò)搜集業(yè)界資料和供應(yīng)商信息，針對(duì)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(kù)，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(diǎn)熱應(yīng)力分析1、問(wèn)題描述 某產(chǎn)品單板需要采用新型的FCBGA器件替代原來(lái)使用 的FPBGA器件，但對(duì)應(yīng)的焊盤(pán)大小與PBGA差別較大，見(jiàn)表4，根據(jù)幾種可能的組合評(píng)估相應(yīng)的焊點(diǎn)疲勞可靠性。針對(duì)FCPBGA，供應(yīng)商給出了兩種PCB焊盤(pán)尺寸的可靠 性數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。表明PCB焊盤(pán)尺寸為22mil與18mil對(duì)焊點(diǎn) 的可靠性影響不大。同時(shí)染色起拔的結(jié)果表明，裂紋在裸芯片底部邊緣的焊點(diǎn)

6、首先萌生。采用對(duì)角線條狀模型的優(yōu)勢(shì)在于降低計(jì)算量，可以將更多的精力關(guān)注在局部焊點(diǎn)網(wǎng)格的細(xì)化、計(jì)算上。3、結(jié)果分析 結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)、危險(xiǎn)焊點(diǎn)及其危險(xiǎn)區(qū)域如圖5所示，仿真得到的危險(xiǎn)區(qū)域與可靠性試驗(yàn)結(jié)果吻合。在此基礎(chǔ)上，改變PCB焊盤(pán)的設(shè)計(jì)尺寸再計(jì)算，并將 危險(xiǎn)焊點(diǎn)的蠕變應(yīng)變密度能取出，結(jié)合文獻(xiàn)1中的參數(shù)，代 入公式(1)和(2)即可得到壽命評(píng)估的結(jié)果如表6，可以認(rèn)為當(dāng) SUB pad/PCB pad=1.12時(shí)，焊點(diǎn)的壽命最好。此外，參考 其它公司的研究成果后，即可對(duì)表4的替換組合作出相應(yīng)的評(píng)估結(jié)果，見(jiàn)表7。單板機(jī)械變形分析1、問(wèn)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(yán) 重，可能會(huì)對(duì)底

7、面的陶瓷電容等應(yīng)力敏感器件產(chǎn)生影響； 經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為影響彎曲變形的主要因素可能有螺孔對(duì)位 公差、散熱器重量、螺釘預(yù)緊力等，利用仿真方法分析了 影響變形的主要因素并對(duì)改進(jìn)措施提供方案。 2、有限元模型 在有限元模型中需要對(duì)實(shí)際物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(shì)如圖 8所示，PCB板邊散熱器正下方的Y方向變形最大，與實(shí) 際的變形情況吻合。在影響因素分析中，分別單獨(dú)考慮 各因素導(dǎo)致的變形量，以對(duì)比各因素所占的權(quán)重：對(duì)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(yù)緊力從1Kg5Kg，最大Y方向變形從0.08mm0.25mm；綜合分析后，三個(gè)因素所占的權(quán)重分別為13、50、37，可見(jiàn)散熱器重量是影響變形的主要因素。B、改進(jìn)措施分析 改進(jìn)措施一：在滿足散熱要求的前提下減小散熱器的重量。改進(jìn)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(gè)螺釘對(duì)應(yīng)的位置增加剛性凸臺(tái)， 厚度與原來(lái)的柔性墊片相同，來(lái)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(shí)發(fā)現(xiàn) 變形由0.48mm(0.15mm偏位、359g、20N預(yù)緊