晶圓級芯片尺絲柔性無鉛焊點隨機振動應(yīng)力應(yīng)變有限元分析

晶圓級芯片尺絲柔性無鉛焊點隨機振動應(yīng)力應(yīng)變有限元分析

0柔性焊點的制作為了保證電路芯片在惡劣環(huán)境或特定條件下的持續(xù)、穩(wěn)定工作能力，需要選擇更可靠的新焊接點來滿足實際需求。柔性焊接點由聚吡咯產(chǎn)生，該點由聚吡咯制成。1wlcbs柔性無焊接點的過載電壓分析1.1模型與邊界條件文中所建立的柔性無鉛焊點三維有限元模型如圖1所示.該模型為1/4有限元分析模型,包括芯片、焊球、兩層柔性層、焊盤和印制電路板(PCB)5部分,其中焊球直徑0.45mm、高度0.32mm,基板尺寸30mm×30mm×1.2mm,芯片尺寸10mm×10mm×0.65mm,焊點材料為無鉛焊料SAC387(95.5Sn3.8Ag0.7Cu).有限元模型采用SOLID45單元,劃分為47625個單元、11973個節(jié)點.對模型施加的邊界條件為:對稱面施加對稱邊界條件,約束PCB最外邊下角點的x,y和z三個方向自由度.有限元分析中采用的材料性能參數(shù)見表1所示.文中采用的隨機激勵的形式為加速度功率譜密度(powerspectraldensity,PSD),來源于美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STDNAVMATP-9492《海軍生產(chǎn)篩選試驗大綱》:當(dāng)隨機振動頻率在20~80Hz時,曲線上升斜率為+3dB/oct,對應(yīng)的加速度功率譜密度幅值范圍為0.01~0.04g1.2工作焊點陣列中柔性無鉛焊點的等效力分析采用范米塞斯等效應(yīng)力應(yīng)變(以下簡稱應(yīng)力應(yīng)變)描述柔性無鉛焊點內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài),晶圓級芯片尺寸封裝柔性無鉛焊點隨機振動應(yīng)力應(yīng)變有限元分析結(jié)果如圖2和圖3所示,圖2和圖3中所示為芯片中間部分工作焊點陣列的焊點.圖2所示為焊點等效應(yīng)力分布,圖3所示為焊點應(yīng)變分布.從圖2和圖3中可見,柔性無鉛焊點陣列焊點內(nèi)的等效應(yīng)力應(yīng)變分布是不均勻的,外圍柔性無鉛焊點受到的應(yīng)力應(yīng)變要比位于中間部分的焊點的大,最大應(yīng)力、應(yīng)變區(qū)域出現(xiàn)于距離焊點陣列中心最遠(yuǎn)處的柔性無鉛焊點上,最大應(yīng)力和最大應(yīng)變分別是239337Pa和5.35×101.3柔性層無鉛焊點應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果為了對比分析有柔性層和無柔性層的焊點在隨機振動條件下的應(yīng)力應(yīng)變,文中建立了無柔性層焊點的有限元模型,該模型中除了無柔性層結(jié)構(gòu)外其他參數(shù)均與圖1所示有柔性層的焊點模型相同.在對無柔性層焊點模型施加相同隨機振動加載后所得焊點內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如表2所示.從表2可知,無柔性層的無鉛焊點的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變分別是317023Pa和7.07×101.4柔性層厚度對無鉛焊點應(yīng)力應(yīng)變影響將晶圓級芯片尺寸封裝中除了柔性層厚度以外的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)固定不變,而只依次分別改變1號柔性層厚度和2號柔性層厚度,建立相應(yīng)的有限元分析模型,研究隨機振動加載條件下柔性層厚度變化對焊點內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的影響.將1號柔性層厚度依次取為0.003,0.006,0.008和0.01mm,2號柔性層厚度依次取為0.01,0.03,0.05和0.075mm,其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與文中1.1節(jié)所述柔性無鉛焊點三維有限元分析模型相同,依次建立8個與上述柔性層厚度相對應(yīng)的有限元法分析模型,進行隨機振動加載后所得應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如表3和表4所示.從表3和表4中所示隨機振動加載條件下無鉛焊點內(nèi)的最大應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果可知,在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,隨著1號柔性層厚度和2號柔性層厚度的增加,焊點內(nèi)隨機振動最大應(yīng)力應(yīng)變均減小,由此可見,在一定條件下增大柔性層的厚度對減小隨機振動條件下焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變是有利的.2柔性焊接點的離散度分析2.1正交設(shè)計中柔性焊接結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合選取影響隨機振動條件下柔性無鉛焊點可靠性的4個關(guān)鍵因素為:1號柔性層厚度(H2.2柔性焊接點的離散度分析據(jù)正交試驗方差分析理論由表7中所列各因素F值的大小,還可得出因素顯著性排序為:F3柔性層厚度對ws-4-3(1)對比有、無柔性層的焊點內(nèi)的最大應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值可知,無柔性層結(jié)構(gòu)的焊點承受的應(yīng)力應(yīng)變比有柔性層結(jié)構(gòu)的無鉛焊點要大,采用柔性層結(jié)構(gòu)可以有效的降低隨機振動載荷作用下焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變,從而可以提高焊點的振動疲勞壽命.(2)在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,隨著1號和2號柔性層厚度的增加,焊點內(nèi)的隨機振動最大應(yīng)力應(yīng)變均減小,因此,在一定條件下增大柔性層厚度對減小焊點內(nèi)隨機振動應(yīng)力應(yīng)變是有利的.(3)方差分析表明:在置信度為99%的情況下,下焊盤直徑和上焊盤直徑對柔性無鉛焊點隨機振動應(yīng)力具有高度顯著影響,在