PBGA无铅焊点可靠性的有限元模拟与寿命预测

作     者：闫青亮 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩国明

授予年度：2007年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：电子封装 焊点可靠性 PBGA 无铅钎料 应力 应变 热循环 有限元分析 热疲劳寿命 

摘      要：随着电子工业的发展,电子封装作为一门独立的新型高技术行业已经迅速成长起来。表面贴装技术(Surface Mount Technology,简称;SMT)作为电子封装的一项技术突破,被誉为“电子封装技术革命,它具有诸多优越性,但也存在着致命的弱点——焊点寿命有限、可靠性较差。 焊点的可靠性问题是电子封装技术领域亟待解决的重要课题,是决定电子产品质量与发展的基本问题。实践证明,热作用是封装组件失效破坏的主导因素,因此对热循环条件下的焊点可靠性进行研究有着非常重要的意义。然而由于焊点尺寸细小,现有的实验手段无法在热疲劳试验的同时实时监测焊点的内部应力应变。于是,利用有限元模型的方法进行分析,成为当前最可行的方法。 近年来伴随着电子工业的发展,所带来的铅污染环境问题也日益突出,世界范围内禁止使用铅及其化合物的呼声也越来越高,发展无铅电子组装已经成为不可逆转的世界范围内的趋势。 本课题选择了无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu作为PBGA焊点材料,利用ANSYS有限元软件建立了PBGA的三维条形模型;并基于统一型粘塑性Anand本构方程,进行-40℃～125℃热循环模拟。实现了在三维模型基础上的焊点力学性能分析,确定了PBGA中最危险的焊点部位以及该焊点中最危险区域,得出了在交变热循环作用下,无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu焊点在各个时刻的应力应变分布特点以及其随热循环温度改变的变化规律。即在热循环至-40℃时,由于降温过程的热膨胀失配,以及焊料在低温时相对较高的弹性模量,使得焊点的应力水平较高,且在焊点内产生的粘塑性变形较大,从而使应变值也较高。当在-40℃保温结束时,焊点内的应力应变水平略有降低,这可归因于保温阶段的粘塑性变形,使应力应变产生了松弛。当热循环至+125℃时,由于Sn-Ag-Cu钎料较低的弹性模量以及高温时较显著的应力松弛现象,使得焊点的应力水平相对低温阶段而言很低,且焊点内产生的粘塑性应变也较小。同样,在+125℃保温结束时,焊点内的应力应变水平因粘塑性变形而产生松弛现象,从而使其数值有所下降。最后,在此基础上选择了典型的寿命预测模型,进行了寿命预测分析,并与锡铅钎料63Sn37Pb的焊点热疲劳寿命作了对比。结果表明,无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu极大的提高了热疲劳性,可以提供更好的可靠性。