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微电子封装结构冲击失效的数值研究

金超超  
【摘要】:电子封装器件在冲击/跌落载荷下的可靠性问题一直以来是人们关注的焦点。随着电子产品的小型化、高密度化以及无铅化,封装结构中的细小焊点由于受到冲击载荷而引发的失效问题也变得越来越严重。目前,组件级焊球冲击试验以及板级跌落试验已被广泛用于互连焊点的可靠性研究当中。本文针对封装器件在冲击/跌落载荷下的开裂失效问题,采用ABAQUS有限元分析工具对组件级焊球冲击试验以及板级跌落试验进行模拟分析,并与实验结果进行对比,研究了互连焊点在冲击载荷下的动态响应以及失效机理。本文的主要内容概括如下: 1.为了能够更合理地描述材料复合型的失效模式,本文提出了一种改进的用于3D失效模拟的指数型内聚力模型,并通过ABAQUS的VUEL用户单元自定义子程序的二次开发,实现了其数值应用;通过算例的验证分析,结果表明本文提出的指数型内聚力模型能够准确有效地模拟界面单元的开裂问题。 2.针对组件级焊球冲击试验,模拟分析了互连焊点在瞬态冲击载荷(包括剪切、拉拔以及剥离)下的失效行为。在考虑焊球材料应变率效应的基础上,利用渐进损伤模型来实现焊球材料破坏的模拟。根据本文提出的内聚力模型通过ABAQUS的用户自定义子程序来模拟焊球与铜焊盘界面处IMC层的失效。并探讨了失效模式的影响因素(包括IMC强度、冲击速率以及冲击角度等),揭示了其内在规律。与实验结果的对比表明,本文提出的模型和方法能够有效地模拟封装器件中焊点在冲击荷载下的失效问题。 3.针对板级跌落试验,基于JEDEC标准试件建立了三维有限元模型,采用Input-G方法分析了电子封装器件在跌落条件下焊点的动态失效行为。本文提出在焊点与封装件以及PCB板之间埋入内聚力单元来考虑界面的断裂问题,从而能够更有效地反映封装器件的失效规律。通过理论分析、有限元模拟以及与实验结果的对比,揭示了焊点失效的规律和阐明了引起失效的原因。最后通过比较不同高度和直径的焊点分析来探讨其对封装结构可靠性的影响。 4.对内聚力模型在电子封装中的应用作进一步地探索。分别提出并实现了应变率以及三轴应力相关的内聚力模型;通过几个算例的研究证实了上述模型的有效性。由于缺乏实验数据,目前的工作还没法直接与实验结果进行对比。但是这一部分工作的开展对于进一步更深层次地研究焊球界面的失效问题有着重要的意义。


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