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跌落碰撞下SMT无铅焊点可靠性理论与实验研究

刘芳  
【摘要】: 表面贴装技术(Surface mount technology,简称SMT)是一种高密度、高可靠性的微电子组装技术,该技术是将电子元器件直接焊接到印刷电路板(Printed circuit board,简称PCB)或陶瓷基板表面。在SMT中,焊点起电气连接与机械连接的双重作用,SMT焊点的可靠性是人们长期关注的最关键问题之一。近年来,电子产品向着小型化、便携式的方向发展,这些电子产品在运输或使用过程中,经常会因为不慎跌落、冲击等外力影响造成板级连接的失效;铅由于其良好的焊接特性,被广泛用于电子工业的SMT焊点,然而,随着人类环保意识的不断增强,电子工业的“无铅化”已成为必然要求。因此,研究跌落碰撞下SMT无铅焊点的可靠性不仅有重要的理论意义而且具有重大的实际应用价值。 本文选取目前在便携式电子产品中广泛应用的BGA(Ball grid array,简称BGA)封装无铅焊点在跌落碰撞下可靠性为研究内容,寻找跌落碰撞下板级连接SMT无铅焊点失效规律与提高焊点可靠性为研究目标,开展了一系列试验与理论研究,发展了一种全新的面向工程应用的研究跌落碰撞下焊点寿命的可靠性测试与可靠度评估方法。主要研究过程与方法如下: 1.针对JEDEC标准试件的局限性,提出了设计便于统计学研究焊点可靠性的试验试件的构想,利用有限元模态分析方法确定并验证了用圆形PCB组件替代JEDEC标准试件的可行性;通过一系列模态试验和有限元模态分析,确定了圆形PCB组件的相关试验参数,这不仅为跌落碰撞下PCB组件有限元模拟确定了较为合理准确的有限元模型,而且为正确地评价跌落碰撞下PCB组件的可靠性问题奠定了基础。 2.进行SMT无铅焊点板级跌落试验并通过对试验结果分析得出结论:跌落碰撞下PCB组件上BGA封装外围拐角处焊点最先失效,且失效部位为靠近封装一侧的Ni/IMC界面处,从断口剖面分析其失效模式为脆性断裂,其失效机理是机械冲击和PCB往复弯曲导致的,验证了跌落碰撞试验中用圆形PCB组件替代JEDEC标准试件的可行性,为改进JEDEC跌落测试标准提供了试验依据。 3.建立了正确有效的圆形PCB组件三维有限元模型,运用隐式动态分析法对跌落碰撞下圆形PCB组件与JEDEC标准试件进行有限元模拟,两者模拟结果与跌落试验金相分析结果吻合,进一步验证了用圆形PCB组件替代JEDEC标准试件的合理可行性。 4.建立两种焊点寿命预测模型:一是基于跌落试验,用威布尔分布建立不同跌落高度下BGA封装无铅焊点寿命预测模型;二是基于跌落试验与有限元模拟结果,用Power原理建立一个将最大拉应力与平均跌落碰撞寿命联系起来的寿命预测模型。 5.从黏弹性角度研究PCB跌落碰撞作用下的动力学特性,理论分析证实PCB基板材料黏弹性参数对跌落碰撞下PCB组件封装焊点的可靠性有重要影响,这不仅有助于更好认清PCB板级跌落的真实动力学特性,完善其理论研究;而且还为PCB可靠性设计和可靠度评估提供理论依据,进而提高封装焊点的可靠性。


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