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《武汉纺织大学》 2016年
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BGA无铅焊点热可靠性有限元仿真研究

陈双宏  
【摘要】:当前关于电子行业封装技术发展的很迅速,小巧、轻便又薄是该技术的主要发展方向,焊点自身的可靠性高低也一直是该科研领域的热点问题。有铅焊料对人类身体及环境的危害,加上在绿色环保的要求情况下,故电子封装应运中的无铅焊料逐渐代替了有铅焊料。焊点的大小对其使用性能也具有密切联系。该论文通过分析无铅焊点不同直径、高度和不同焊料成分来研究焊点的热可靠性。BGA技术已经逐渐成为高端IC封装的主要形式,然而目前对其无铅焊点疲劳断裂的科研还不足够,因此球栅阵列无铅焊点关于其可靠性的高低具有重大的科研价值。对于无铅焊点本文主要通过有限元知识进行热模拟,进而来对其可靠性情况合理分析。Sn3.0Ag0.5Cu焊料自身具有良好特性,故本文选取了焊球Sn3.0Ag0.5Cu在热循环下进行热加载,采用传热学常用工具ANSYS Workbench对PBGA组件进行热求解。先考虑焊点直径的影响,保持焊点高度不变,边界条件和热加载也不变,改变焊点直径进行求解,在对危险无铅焊点的应变对比和分析,预测不同直径危险焊点的热疲劳寿命。在考虑焊点高度的影响,保持焊点直径不变,边界条件和热加载也不变,改变焊点高度进行求解,采用Coffin-Manson方程,分析和预测热循环条件下不同高度危险焊点的疲劳寿命,从而得出可靠性较高的焊点。最后在热循环条件下对比分析无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu与有铅焊料Sn63/Pb37的温度分布、应力应变及热疲劳寿命。故在电子封装工程应用中对PBGA无铅焊点直径和高度的选取应控制在合理范围内,进而来保证其可靠性。无铅焊Sn3.0Ag0.5Cu与有铅焊Sn63/Pb37因焊点成分不同进而热可靠性也不同。通过该论文的研究有助于更加深入了解无铅焊点在热循环条件下的失效机制,对于BGA无铅焊点在实际电子封装工程应用也具有一定的参考价值。
【关键词】:电子封装 可靠性 有限元 热循环
【学位授予单位】:武汉纺织大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG405
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 1 绪论9-20
  • 1.1 研究背景9
  • 1.2 定义及功能9-10
  • 1.3 封装分级和发展10-12
  • 1.4 BGA封装12-13
  • 1.5 封装可靠性问题13-17
  • 1.5.1 可靠性概述13-14
  • 1.5.2 可靠性研究方法14-15
  • 1.5.3 焊点Anand本构方程15-17
  • 1.5.4 焊点寿命预测模型17
  • 1.6 国内外研究现状17-18
  • 1.7 课题来源、目的与研究内容18-19
  • 1.7.1 课题来源、目的18
  • 1.7.2 研究内容18-19
  • 1.8 论文的组织结构19
  • 1.9 本章小结19-20
  • 2 理论基础20-27
  • 2.1 有限元的简介20-21
  • 2.1.1 有限元法的理论20
  • 2.1.2 ANSYS Workbench简介20-21
  • 2.2 温度场理论21-23
  • 2.3 热应力相关理论23-26
  • 2.3.1 热应力的概述23
  • 2.3.2 热弹性力学的基本方程23-26
  • 2.4 本章小结26-27
  • 3 无铅焊温度场27-34
  • 3.1 结构模型27-28
  • 3.2 材料属性以及有限元模型28-30
  • 3.3 工程环境载荷30-31
  • 3.4 无铅焊点热循环温度分布及分析31-33
  • 3.5 本章小结33-34
  • 4 无铅焊热分析34-48
  • 4.1 不同直径焊点的热分析34-41
  • 4.1.1 整体变形量34-36
  • 4.1.2 焊点变形量36-37
  • 4.1.3 焊点等效塑性应变37-41
  • 4.2 焊点热疲劳寿命41
  • 4.3 不同高度焊点的热分析41-47
  • 4.3.1 整体变形量情况41-43
  • 4.3.2 焊点的变形量情况43-44
  • 4.3.3 焊点等效塑性应变情况44-47
  • 4.4 焊球热疲劳寿命47
  • 4.5 本章小结47-48
  • 5 不同焊料热分析48-55
  • 5.1 Sn63/Pb37温度场48-50
  • 5.2 不同焊料的可靠性50-53
  • 5.2.1 焊点变形量对比50-51
  • 5.2.2 焊点等效应力对比51-52
  • 5.2.3 焊点等效塑性应变对比52-53
  • 5.3 焊点热疲劳寿命53-54
  • 5.4 本章小结54-55
  • 6 总结与展望55-57
  • 6.1 总结55
  • 6.2 展望55-57
  • 参考文献57-61
  • 致谢61

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