板级电子封装跌落冲击中焊点应力分析

第３３卷第ｌ（Ｊ期２（）（Ｊ７年１（）月

北京工业大学学报

Ｊ（）ＵＲＮＡＩ．０ＦＢＥＩＪＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹｏＦＴＥＣＨＮｏＩ，（）ＧＹ

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ｏｃｔ．２（）（）７

板级电子封装跌落／冲击中焊点应力分析

秦飞，白洁，安彤

（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京１０００２２）

摘要：建立了板级ＢＧＡ封装跌落／冲击问题的三维有限元模型，采用Ｉｎｐｕｔ．Ｇ方法对ＰＣＢ板的变形及焊锡接点应力等动力学响应进行了分析，探讨了约束条件对计算结果的影响，对焊点剥离应力产生的机理进行了讨论，提出了快速估算焊点应力的等效静力学模型并分析了误差．结果表明，模型中ＰｃＢ板固定螺栓处的约束条件处理对结果有较大影响，合理的处理方法是在ＰｃＢ板４个螺栓作用区的上下表面均施加水平方向位移约束．焊点应力最大值出现在冲击后０．４ｍｓ，最大剥离应力发生在角部焊点与ＰｃＢ板一侧的铜垫交界处．焊点应力与ＰＣＢ板的弯曲变形密切相关，应力峰值和ＰＣＢ板的变形峰值在时间上具有同步性．挠度等效静力学模型得到的焊点应力比动力学模型高２３％左右．

关键词：电子封装；跌落／冲击；焊锡接点；可靠性；有限元

中图分类号：ＴＢ１２；ＴＮ４７文献标识码：Ａ文章编号：０２５４一００３７（２００７）１０—１０３８—０６

便携式电子产品在使用中经常发生失手跌落情况，在跌落／冲击过程中，电路板与芯片之间的细小焊点连接成为最容易发生破坏的部位，研究焊点在跌落冲击中的力学行为成为产品可靠性研究的重要内容．目前的研究主要采用试验方法和数值模拟方法．在新产品设计完成后、上市之前，各半导体和电子产品供应商均采用跌落／冲击试验来测试产品或关键封装的可靠性…．但是测试过程耗费较大人力物力。而且完成测试需花费６个月的时间，差不多是一款新产品的生命周期．采用数值模拟方法不仅经济省时，而且能提供更为全面的数据，因此数值模拟方法受到越来越多关注．

跌落／冲击过程的数值模拟主要采用有限元隐式或显式动力学分析方法，ｗｕ使用ＬＳＤＹＮＡ软件进行跌落过程数值模拟［２］．为了克服板级封装中尺度相差较大的问题，ｚｈｕ采用子模型方法研究ＢＧＡ封装冲击响应【３】．Ｓｏｇｏ和Ｈａｒａ提出了两步模式方法，缩短了计算时间，所得焊点冲击响应与试验结果吻合较好【４Ｊ．近几年Ｔｅｅ等使用ＡＮｓＹＳ／ＬｓＤＹＮＡ模拟板级封装跌落／冲击全过程，对影响冲击加速度曲线的各个参数进行了详细研究，并提出Ｉｎｐｕｔ—Ｇ方法［５’６】，把冲击加速度曲线作为数值模型的载荷输入，避免了全程模拟时的技术难点同时减少了运算时间．由于省略了跌落过程，只模拟板级封装的受冲击过程，使得在处理ＰＣＢ板边界条件时较为困难．

本文介绍板级电子封装跌落／冲击试验的设备和方法，建立板级封装有限元模型，采用Ｉｎｐｕｔ．Ｇ方法研究不同约束条件对ＰＣＢ板变形和焊点应力的影响，并对焊点应力及其与ＰＣＢ板变形之间的关系进行了讨论，在此基础上提出快速评估焊点应力的挠度等效静力学模型．

跌落冲击试验方法与装置

跌落冲击试验包括产品级试验和电路板（ＰＣＢ）级试验．由于产品级试验可重复性差，因此较多的研究人员选择电路板级试验．需要用到专门的跌落冲击试验机．国际电子器件标准联盟（ＪＥＤＥＣ）在其标准草案ＪＥｓＤ２２．Ｂ１１１［７１推荐了一种跌落／冲击试验机，结构如图１所示．试验机主要由导杆（ｇｕｉｄｅｒｏｄｓ）、跌

收稿日期：２００６．０９一０４．

基金项目：国家自然科学基金资助项目（１Ｉ）５７２（）１Ｉ））；北京市教委科技发展计划项目（ＫＭ２（）１１６１《）（）Ｉ】５【）１３）；北京市先进制造＋技术重点实验室开放课题资助项目（Ｉ（Ｊ２ＫＢ０（）７３２）．

作者简介：秦飞（１９６５一），男。河南新郑人．副教授．

　万方数据

第ｌ转籁秦飞等：裰缀篷予瓣装黢落／滓击中焊点寝力分辑｛０３９

落台架（ｄｒｏｐｔａｂｌｅ）和刚性基縻（ｒｉｇｉｄｂａｓｅ）组成．刚性基座上铺有毡子等材料，用来控制冲击加速度曲线的形状．被测的电路板通逮碡令螺拴（ｓｃ您ｗ孙ｌｔ）曛定在跌落台上部的基板（ｂａ辩ｐｌａｔｅ）上，基钣与电路板之间留有１０ｍｍ空隙，使得电路板有足够空间发擞弯曲变形．试验电路板尺寸为１００ｍｍ×４８ｍｍ×１．６ｍｍ，最多可安装１５块（３×５）封装，图２给出了各封装的编号和位置．

图１板级封装跌落／冲击实验装漫

羧ｇ。ｌＴｅｓｌｓｅｆｕｐ《Ｂｏａ穗ｌｅｖｅｌｄｆｏ影ｉ掇ｐａｃｔ＠

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回回回回回

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ＰＣＢ板

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图２电路板封装布置图

Ｆｉｇ．２ｂｙｏｕｌ《辩ｃｋａｇｅｓ醮ＰＣ８ｂｏａ蠢

试骏时，跌落台从１．５ｍ高度沿着爵杆无初速度释放，跌落到刚性基座上，使得规定形状、幅度和持续时间的加速度脉冲作用于跌落台，并通过基板和隧定螺栓传递到被测ＰＣＢ板及封装上．加速度计连接在基板上，赛时记录渖击过程审懿速度兹线的峰值、持续时闻鞠形状。

ＪＥ眦Ｃ针对便携产品的电路板级冲击加速度脉冲，测试标准如表１所示［８】．推荐加速度峰值为１５００ｇ（ｇ为标准重力加速度），作掰时闻为Ｏ．５ｍｓ的半正弦的加速度脉冲，即工况Ｂ．研究或测试人员还可以根据需要选用其德工况强ｊ，

表ｌＪＥＤＥｃ冲击脉冲条件［７】

ｌ鑫ｂｌｅｌ儆∞瞄ｌ耄ｉ雌ｓｓⅡｇｇｅｓ自ｅｄｂｙＪＥ戮粥

ＪＥⅨ粥标准峰值加速度／ｇ脉冲时闻／“撙ＪＥＤＥＣ标准峰值加速度／ｇ脉冲时间／雠Ｈ２９００Ｏ．３Ａ５００１．Ｏ

Ｇ２∞ＯＯ。４Ｅ３４０重。２

Ｂ１５００Ｏ．５Ｄ２００１．５

Ｆ９００Ｏ．７Ｃ１００２．Ｏ

２板级封装跌落冲击的有限无模拟

２．１网格划分和材料参数

在跌落实验孛，按照ｊＥ蕊Ｃ酶推荐标准，测试板上最多露安装１５块封装。健在实际测试中，可以廷在板中心位置安装ｌ块封装．考虑到位予中心位谶封装的受力最为严熏，同时为了节约计算时间，本文有限元模型中只考虑ＰＣＢ中间位置（图２中Ｕ８）安装１个ＢＧＡ封装的情况．建立的三维有限元模型的局部网捺懿慧３所示。该模登考虑了ＰＣ转扳、锶垫（ｃｔｌ

ｐａｄ）、焊球（商ｄｅｒｂａｌｌ）、基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、芯片（ＭＣ）、

封装树脂等细节，其中铜垫的设计在基板一侧为

Ｓ瀚，丧ＰｃＢ板一侧鸯ＮＳ瓢◇。ＰＣ８叛凡舞尺寸为

１００ｍｍ×４８ｍｍ×１．６ｍｍ，芯片为４ｍｍ×４ｍｍ×Ｏ．２６ｍｍ，封装树脂为７ｍｍ×７ｍｍ×Ｏ．７５ｍｍ．焊点秀６×６矩阵分蠢，阉距为转．７５ｍｍ。横鹜孛各材料的参数值列于表２，材料模型均为线弹性．有限觅单

图３板级ＢＧＡ封装有限元模型

Ｆｉｇ．３ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＢＧＡ

辫ｃ氧ａ嚣ａｎｄ瓮转ｂｏａ蠢　万方数据

北京下业大学学报

元类型为ＡＮＳＹＳＳ（）Ｉ。ＩＤｌ６４，共划分３３７６２个单元，４４９５５个节点

表２各种材料参数

ＴａｂＩｅ２Ｍａｔ盯ｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉ鹤

材料弹性模量／ＭＰａ泊松比密度／（ｋｇ?ｍ一’）材料弹性模量／ＭＰａ泊松比密度／（ｋｇ?ｍ一）芯片１３ｌ０００Ｏ．３２３３０焊料３４Ｉ）（）（）０．３６３８４１０

塑封材料２５５０６０．３１９７０阻焊剂５００００．３ｌ１５０

铜垫１１７００００．３８９４０基板３４９９０．３３９７０

ＰＣＢ板１６８５０Ｏ．１１１８２０

２．２载荷与边界条件

跌落试验时。封装安装在ＰＣＢ板下侧，ＰＣＢ板用４个螺栓在角点处固定在跌落台上．本文在数值模拟时采用Ｉｎｐｕｔ—Ｇ方法，图４给出了该方法的原理示意图．Ｉｎｐｕｔ—Ｇ方法是把冲击加速度曲线作为载荷加在ＰＣＢ板４个螺栓处的竖直方向，需要处理４个螺栓处其他方向位移约束边界条件，否则对计算结果有较大影响．本文中，加速度选取ＪＥＤＥｃ标准ＪＥｓＤ２２一Ｂ１１０中Ｈ条件［７｜，如图５所示，为半正弦曲线，峰值加速度２９００ｇ．

图４Ｉｎｐｕｔ．Ｇ方法

Ｆｉｇ．４Ｉｎｐｕｔ—ＧＭｅｔｈｏｄ３结果讨论

图５加速度曲线

Ｆｉｇ．５ＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＣｕｎ，ｅ

３．１边界条件的影响

模型有２个对称面，取完全对称位置焊点上的２个节点，考察其ｚ方向正应力（即剥离应力）的时间历程曲线如图６所示，发现模型中对称节点的动力响应基本相２００

同．所以，在后续的计算工作中，只取１／４模型进行计算即可，１５０

可以降低问题的规模，缩短计算时间．娄‘：：

在Ｉｎｐｕｔ—Ｇ方法中，ＰＣＢ板承受的冲击载荷以加速度形式５ｏ

施加在ＰＣＢ板的４个螺栓处的竖直方向．因此，在有限元模型－５０

中，可将加速度载荷加在螺栓夹持作用区域内节点的竖直方向

…

自由度上．螺栓对ＰＣＢ板的夹持作用会影响ＰＣＢ板的变形，…．

在模型的螺栓夹持区节点的水平方向应施加合适的位移约束．里６，翌称点竺剥离应力一时，曲警

为了考察不同约束对结果的影响，本文考虑３种约束情况：。。

（ａ）不加任何约束；（ｂ）在ＰＣＢ板４个螺栓夹持区的上表面施加水平方向位移约束；（ｃ）在夹持区的上下表面均旋加水平方向位移约束．图７给出了３种情况下应力最大焊点的剥离应力响应曲线．图７（ａ）所示情况无约束情况下焊点应力水平明显偏高，而且随时间没有明显衰减；图７（ｂ）所示情况下，焊点应力值下降约７０ＭＰａ，有明显的衰减，但波动较为剧烈；图７（ｃ）所示情况下，最大应力和（ｂ）种情况相同，有明显衰减，

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第１（）期秦飞等：板级电子封装跌落／冲击中焊点应力分析１（）４１曲线较为光滑，与实验结果比较一致［１‘’｜．因此，采用第３种位移约束条件比较合理．

３．２焊点应力

从图７（ｃ）看出，焊点首先承受拉应力，并在０．４ｍｓ时达到最大，然后下降并变为压应力并交替变化，随后逐渐衰减．最大应力发生在封装远角焊点上与ＰＣＢ板一侧的铜垫交界处，为１９２ＭＰａ．图８为焊点整体的应力云图以及应力最大焊点的放大图，表明与实验测得的结果基本一致［－ｏ｜．

ｒ／ｍｓ

（ａ）

图７不同螺栓的束条件下焊点应力响应

Ｆｉｇ．７ｓｔｒｅ站ｒｅｓｐｏｎｓ器ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏＩｔｅｆｆｅｃｔｓ

图８焊点应力分布图

Ｆｉｇ．８ｓｔｒｅ豁ｉｎｄｄｅｒｉｏｉｎｔｓ图９焊点应力与ＰＣＢ挠度的比较Ｆｉｇ．９Ｃｃ粕ｐａｒｉｓ∞ｂｅｔｗｅ髓ｓｔｒ瞄柚ｄｄｅｎｅｃｔｉｏｎｏｆＰＣＢ

图９显示了ＰＣＢ板中心挠度在冲击过程中的变化情况．可以看出，‘ＰＣＢ板在冲击过程中向上、向下发生弯曲变形，但随时间衰减较快，焊点应力峰值和ＰＣＢ板挠度峰值出现在同一时刻，表明在跌落／冲击时，焊点应力与ＰＣＢ板的变形密切相关．许多研究者认为，焊点应力可以用图１０给出的机理模型来解释．由于ＰＣＢ板与ＢＧＡ封装弯曲刚度的差异，ＰｃＢ板的这种弯曲变形引起焊点中产生剥离应力．当ＰＣＢ板向下弯曲时，如图１０（ａ）所示，焊点中产生拉应力，而且两侧焊点中的拉应力较大．当ＰＣＢ板向上弯曲时，相应的焊点受到压应力如图１０（ｂ）所示．在冲击过程中，ＰＣＢ板上下反复弯曲造成焊点中拉压交变应力．

（ａ）ＰｃＢ向下弯｝｝｝Ｉ（ｂ）ＰｃＢ向上弯｝｝｝Ｉ

图１０焊点应力产生的机理Ｆｉｇ．１０Ｓｔｒｅ璐ｉｎｄｕｃｅｄｂｙＰＣＢｂｅｎｄｉｎｇ图ｌｌ

ＰＣＢ板变形云图Ｆｉｇ．１１Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ０ｆＰＣＢ

图１１给出ＰＣＢ板的变形云图，可以看出ＰＣＢ板在长度和宽度方向均发生弯曲变形，２种变形共同作用造成角点处焊点的剥离应力最大．由于ＰＣＢ板在长度方向上的变形较大，这也使得在长度方向的最外侧两排焊点中的应力水平较高．

同时注意到，图９中挠度曲线较为光滑，应力曲线在第１个峰值后出现“毛刺”，该现象无法用图１０所示的机理模型解释．

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３．３挠度等效静力学模型

对于Ｉｎｐｕｔ．Ｇ方法而言，动力学模型的计货：时间取决于单元尺寸的大小，对于尺寸跨度较大的板级ＢＧＡ封装，即使最新配置的计算机通常要用ｌ～２ｄ，因此。设计工程师和研究人员希望通过挣力学分析快速评估焊点应力…ｊ．

挠度等效静力学模型是基于前述焊点应力产生的机理提出的，即认为跌落／冲击中焊点应力主要是由ＰｃＢ板的弯曲变形引起的．因此，首先确定挠度等效载荷，即在．ＰｃＢ板上施加均布静载荷，使其在ＰｃＢ板中心产生与动力模型相同的挠度，然后将该载荷施加到静力学模型计算．计算结果，表明焊点应力分布以及最大应力发生的位置与动力学计算结果基本相同．图１２显示动力学模型和静力学模型中间一排和最外一排焊点挠度基本一致．图１３给出了外围一排焊点的应力曲线比较图。２条曲线虽然形状相似，但静力模型计算得到的应力明显高于动力模型，相差５０ＭＰａ．一般认为，跌落／冲击过程中，ＰＣＢ板弯曲、封装上的惯性载荷以及应力波均引起焊点应力［１２】，而在静力模型中仅考虑了ＰＣＢ板弯曲引起的应力．３种应力在焊点总应力所占比例以及应力波的作用方式和机理，仍需要进一步研究．

４结论

焊点位置

（ａ）中间ｌ排焊点

焊点位置

（ｂ）最外１个焊点

图１２动静力计算模型焊点挠度比较

Ｆｉｇ．１２Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏ璐ｂｙｔｈｅｓｔａｔｉｃ／ｄｙｍｍｉｃｍｏｄｅｌｓ

图１３动／静计算模型焊点应力比较

Ｆ碡．１３Ｓｔｒ瞄匆ｔｈｅｓｔａｃ∥ｄｙｍ耐ｃｍＤｄｅｌｓ

１）在采用Ｉｎｐｕｔ．Ｇ方法计算时，模型中ＰｃＢ板固定螺栓处的约束条件处理对结果有重要影响．较为合理的处理方法是在ＰＣＢ板４个螺栓作用区的上下表面均施加水平方向位移约束；

２）应力最大值出现在冲击发生后０．４ｍｓ．最大剥离应力发生在角部焊点与ＰＣＢ板一侧的铜垫交界处．由于ＰｃＢ板在长度方向上的变形较大。这也使得在长度方向的最外侧２１排焊点中的应力水平较高；

３）焊点应力峰值和ＰＣＢ板的变形峰值同步发生，表明焊点剥离应力与ＰＣＢ板的弯曲变形密切相关；

４）挠度等效静力学模型得到的焊点应力分布与动力学模型基本相同，但应力值高２３％左右，相差较多．

参考文献：

［１］周春燕，余同希，李世玮．便携式电子产品的跌落冲击响应一试验、仿真和理论［Ｊ］．力学进展，２０（）６，３６（２）：２３９．２４６．ＺＨ（）Ｕ’Ｃｈｕｎ—ｙａｎ。ＹＵＴｏｎｇ—ｘｉ，Ｉ。ＥＳｈｉ—ｗｅｉ．ＲｉｃｋｙｒｅｖｉｅｗｏｆｓｈｏｃｋｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｐｏｒｔａｂｌｅｅＩｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓｕｎｄｅｒｄｒｏｐｉｍ—

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［２］ｗｕＪａ—ｓｏｎ。ｓ０ＮＧＧｕ伊ｓｈｕ，ＹＥＨｃｈａ伊ｐｉｎ，ｅｔａＩ．Ｄｒｏｐ／ｉｍｐａｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１９９８６ｔｈＩｎｔｅｒｓｏｃｉｅｔｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＴｈｅｍａｌａｎｄＴｈｅ哪ｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＰｈｅｎｏｍｅｎａｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｙｓ．ｔｅｍｓ．Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ＇ＮＪ：ＩＥＥＥ，１９９８．

［３］ｚＨｕＬ．ｓｕｂｍｏｄｅｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｃｆｏｒＢＧＡｒｅＩｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌ”ｉｓｏｆＣｓＰｒａｃｋａｇｉｎｇｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏａｎｉｍｐａｃｔＩｏａｄｉｎｇ［ｃ］∥ＰａｃｉｆｉｃＲｉｍ／Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｔｅｒ｝；ｏｃｉｃｔｙＥＩｅｃｔｍｎｉｃＰａｃｋａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃ｛Ｉｌ／Ｂｕｓｉｎｅｓｓ∞ｎｆｃｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ，Ｋａｕａｉ，ＮｅｗＹｏｒｋ：Ａｍｅ“ｃａｎｓ‘：）ｃｉｅｔｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ，２Ｉ）Ｉ）１：１４（）ｌ—１４１１９．

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第１０期秦飞等：檄级电子封装跌落／冲击中焊点应力分析ｌ（）４３

ＺＵ０１．

［５】ＮＧＨｕ小ｓｈｅｎ．ＴＥＥ１Ｉｏｎｇ—ｙａｎ，ＬｕＡＮＪｉｎｇ－ｅｎ．Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒｓｔａｎｄ８ｒｄｉｍｐａｃｔｐｕＩｓｅｓｏｆｄｒｏｐｔｅｓｔｅｒｕｓｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｌｉｏｎ【ｃ】∥Ｐｆ∞ｅｅｄｉｎｇｓ《６ｔｈ￡ｌｅｃｔ妁ｎｉｃｓ鹣ｃｋａｇｉｎｇ‰瘫ｎｏ｝ｏｇｙ（ｂｎ＆ｆｅｎｃｅ，ＰｉｓｃａｔａＷａｙ：ｌＥＥＥ，２｛辩４．

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［７】ＪＥＤＥＬｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｅｃｈｎｏｌｏｊｇｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｂｏａｆｄｌ卫ｖｅｌＤｒｏｐＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｏｆ‰ｐ。ｎｅｎｔｓｆｏｒ｝｛ａｎｄｈｅｌｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＪＥｓＤ２２一Ｂｌｌｌ【ｓ五Ａｒｌｉｎｇ脚：ｊＥ隧Ｌ蹦滔ｓｌａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ触；ｏｃｉａｔｉ鳓。２００３．

［８】ＪＥＤＥｃｓｏｌｉｄｓｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡ洲ｉａｔｉｏｎ，ｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｈｏｃｋＪＥｓＩ）２２一Ｂ１１０［ｓ】．触ｌｉｎ斟ｏｎ：ＪＥＩ）ＥＬｓｃｌｉｄ＆ａｔｅ？ｅｃｈ蕊。ｇｙＡ凸ｓｏｃｉａｌｋ糯２∞重，

［９】ＴＥＥＴｏｎｇ—ｙａｎ，ＮＧＨｕｎ．ｓｈｅｎ，ＬＩＭｃｈｗｅｅＴｅｃｋ，ｅｔａＩ．ＩｍｐａｃｔｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆＴＦＢ（｝Ａｐａｃｋａｇｅｓｕｎｄｅｒｂｏａｒｄｌｅｖｅｌｄｒ叩ｔ鹤ｔ［Ｊ】．ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｍｌｌｉｃｓＲｅｌｉａｂｉｌｉｔ孙２００４，４４（７）：１１３ｌ一４２。

［１０】ＴＥＥ１ｂｎｇ．ｔａｎ，ＬｕＡＮｊｉｎｇ．蚰，Ｐ慧ＫＥｒｉｃ，ｅｔａ｜．Ａｄｖ８ｎｃｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｉａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕ嚣ｆｏｒａｎａｉｙｓｂｏｆｄｙｎａｍ沁ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｄｕｒｉｎｇｄｒｏｐｉｍｐａｃｔ［ｃ］∥Ｐ暂０ｃｅｅｄｉｎｇｓ５４ｔｈＥｌｅｃｔｒ∞ｉｃｃｃ粕ｐｏｎｅｎｔｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｑｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｌ舾Ｖｅｇａｓ：ＮＶＵＳＡ，２９◇毒，

【１１］ＴＥＥ１锄ｇ．ｙａｎ。ＬｕＡＮＪｉｎｇ．ｅｎ，ＮＧＨｕｎ－ｓｈｅｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｎｎｏｖａｔｉｏｎａｌｄｒｏｐｉｍｐａｃｔｍｏｄｅｌｉｎｇｔｅｃｈ，ｎｉｑｕｅｓ【Ｃ】∥５５ｔｈＥ（Ｘ℃ＣｏｎｆｅｆｅｎｃｅＰｆｏｅ。Ｐｉｓｃａ掘ｗａｙ；ｌＥＥＥ，２００５。

【１２】ｗ－ｏＮＧＥＨ，ＬｌＭＫＭ，ｓＥＡＨＨ，ｅｔａＬＤｒｏｐｉｍｐａｃｔｔｅｓｔ—ｍ妣ｈａｎｉｃｓａｎｄｐｈｙｓｉｃｓｏｆｆａｉｌｕｒｅ【ｃ】∥ｎ雠ｅｅｄｉｎｇｓ０ｆｔｈｅ４ｔｈＥｌｅｃｔ∞ｎｉｃｓＰａｃｋａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ：ＩＥＥＥ，２００２．

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｐａｃｋａｇｅ；ｄｒｏｐ／ｉｍｐａｃｔ；Ｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ

　万方数据

板级电子封装跌落/冲击中焊点应力分析

作者：秦飞， 白洁， 安彤， QIN Fei， BAI Jie， AN Tong

作者单位：北京工业大学,机械工程与应用电子技术学院,北京,100022

刊名：

北京工业大学学报

英文刊名：JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

年，卷(期)：2007，33(10)

被引用次数：0次

参考文献(12条)

1.周春燕.余同希.李世玮便携式电子产品的跌落冲击响应-试验、仿真和理论[期刊论文]-力学进展 2006(02)

2.WU Ja-son.SONG Guo-shu.YEH Chao-pin Drop/impact simulation and test validationof telecommunication products 1998

3.ZHU L Submodeling technique for BGA reliability analysis of CSP rackaging subjected to an impact loading 2001

4.SOGO T.HARA S Estimation of fall Impact strength for BGA soldcr joints 2001

5.NG Hun-shen.TEE Tong-yan.LUAN Jing-en Design for standard impact pulses of drop tester using dynamic simulation 2004

6.TEE Tong Yan.LUAN Jing-en.PEK Eric Novel numerical and experimental analysis of dynamic responses under board level drop test 2004

7.JEDEL Solid state technology association JESD 22-B111.Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products 2003

8.JEDEC Solid State Technology Association JESD 22-B110.Subassembly Mechanical Shock 2001

9.TEE Tong-yan.NG Hun-shen.LIM Chwee Teck Impact life prediction modeling of TFBGA packages under board level drop test 2004(07)

10.TEE Tong-tan.LUAN Jing-en.PEK Eric Advanced experimental and simulation techniques for analysis of dynamic responses during drop impact 2004

11.TEE Tong-yan.LUAN Jing-en.NG Hun-shen Development and application of innovational drop impact modeling techniques 2005

12.WONG E H.LIM K M.SEAH H Drop impact test-mechanics and physics of failure 2002

相似文献(9条)

1.学位论文李建刚应变率效应对无铅焊锡接点跌落冲击力学行为的影响2009

目前，由于铅对环境的危害，传统的含铅焊料已经被禁止，同时被无铅焊料所代替。无铅焊点在微电子封装中起电子信号输导、热传递以及机械支撑作用，其跌落冲击可靠性与锡铅焊料相比有一个数量级的下降。因此，在跌落冲击载荷作用下，无铅焊点的力学行为已经成为手持式电子产品可靠性研究的一个至关重要的问题。

本文首先采用四点动态弯曲方法对板级电子封装做了跌落冲击实验研究，通过数字图像相关方法测量了PCB板的挠度，用应变计方法测量PCB板中心位置的应变，分析了焊点的失效情况；其次，建立了板级封装四点动态弯曲实验有限元模型，研究了两种焊锡接点简化模型对PCB板变形和焊点应力应变的影响；分别采用线弹性模型、应变率相关的Johnson-Cook材料模型和率无关的弹塑性模型研究了应变率对焊锡接点力学行为的影响，预测了焊锡接点的破坏情况，并与动态四点弯曲实验结果进行了比较。结果表明，焊锡接点的焊层．焊球混合简化模型对PCB板的变形没有影响，但对焊层的应力应变影响较大，在预测焊点失效时，采用焊层-焊球混合模型比较合理；焊锡材料的应变率效应对PCB的挠度几乎没有影响，但对焊锡接点的应力应变有较大影响；不考虑应变率效应的弹塑性模型低估焊锡接点的应力值而高估等效塑性应变值；采用率相关的Johnson-Cook模型能更好地预测焊锡接点的力学行为，能较真实预测焊锡接点的破坏情况。本研究可以为将来合理可靠地预测电子封装焊锡接点失效提供依据，为电子封装可靠性研究提供方便快捷准确的方法。

2.学位论文白洁跌落/冲击过程中电子封装焊锡接点的动力学响应2007

移动电子设备在使用中经常发生失手跌落或其他冲击载荷作用，在冲击载荷作用下电子封装中的焊锡接点成为最容易发生破坏的部位，研究焊锡接点在跌落/冲击作用下的力学行为成为移动电子产品可靠性设计的关键问题。

使用ANSYS/LS-DYNA软件建立板级封装有限元模型，采用Input-G计算方法，研究了不同约束条件对PCB板变形和焊锡接点应力的影响，并对焊点应力及其与PCB板变形之间的关系进行了讨论；通过在时域和频域中对焊锡接点的动力响应进行分析，研究了焊点应力产生的机理，并对焊点应力曲线的天性特征进行了讨论，论证了采用静力学等效方法快速评估焊点应力的可行性。

比较研究了采用弹性和运动硬化双线性弹塑性应力应变关系时焊锡接点的动力学响应。结果表明，在两种材料模型下焊点的剥离应力相差近

65％；在弹塑性材料模型中，塑性应变在总应变中占主导地位。因此，在用数值模拟方法研究封装跌落冲击过程中焊点的响应时，必须考虑焊点的塑性变形。

分别采用三种不同焊锡材料，Sn-4Ag-0.5Cu，Sn-3-5Ag，Sn-37Pb，进行了比较分析。结果表明，在相同的跌落/冲击条件下，无铅焊点的应力要比含铅焊点的应力高：三种材料中，含铅Sn-37Pb焊点在跌落/冲击中的塑性应变最大。

本文研究的结论有助于电子封装工程师了解PCB板的变形情况和电子器件在跌落/冲击条件下焊点破坏的机理，为产品的可靠性设计提供依据。

3.期刊论文张波.丁汉.盛鑫军.ZHANG Bo.DING Han.SHENG Xin-jun板级电子封装在跌落冲击载荷下的动态响应分

析-振动与冲击2008,27(6)

随着微电子封装密度的提高,板级封装在跌落冲击载荷下的可靠性成为人们关注的焦点.为了更深入地了解板级电子封装在跌落冲击载荷下的动态响应,两对边固定另两对边自由的板级封装被简化为二维多自由度系统,忽略IC器件对系统振动的影响.为提取冲击脉冲特性以便随后的分析,首先通过实验得到板级封装跌落冲击加速度在时间域和频率域的曲线,结果表明冲击脉冲在低于2 000 Hz时具有较高的冲击能.随后采用梁函数组合方法得到板级封装低于2 000 Hz的模态函数.基于模态函数,采用模态组合方法分析了板级封装在JEDEC标准跌落冲击载荷(正弦脉冲,峰值1 500 g,持续时间0.5 ms)下的挠曲响应和加速度响应,最大挠曲约2.2 mm,中心点的加速度响应峰值约2 000 g.理论分析结果与有限元分析结果、实验结果进行了对比,具有较好的一致性.同时分析表明板级封装在振动过程中,第一阶模态是主要的.

4.学位论文魏建友物体表面变形测量的数字图像相关方法2007

在跌落冲击过程中，板级封装中焊点可靠性是一个非常值得重视的问题，而传统的应变测量方法很难应用到焊点这么小的尺寸上，因此采用数字图像相关方法(DICM)测量跌落冲击时焊点的应变，它具有全场测量、非接触、光路简单等优点。

搭建基于数字图像相关方法测量物体表面位移的硬件系统。根据DICM原理搭建物体表面位移测量系统，该测量系统包括：摄像镜头、CCD图像传感器、图像采集卡、白光灯、计算机以及位移的测量软件。通过本测量系统可以实现对物体表面位移进行测量。

提出了可以提高DICM测量精度的光滑算法。即采用有限元分片光滑方法和最小二乘法，对测得的位移场进行光滑，进而对位移场求导得到应变场

，刚体位移以及拉伸实验表明光滑算法能明显降低系统误差影响，提高数字图像相关方法的测量精度。

利用’Vc++语言编写了数字图像相关分析程序DICA。该软件操作界面友好，便于实验人员进行操作。DICA程序在完成相关计算后可以对结果进行光滑，还可以通过多种方式将结果可视化，同时计算的结果还可以以Excel文档、文本文档格式输出以便于进一步的数据处理。

针对刚体平移、拉伸等不同情况，对导致系统误差的因素进行分析。结果表明在测试条件一定的情况下，系统误差会在一个固定的范围内浮动，而且相同条件下试件表面的散斑越密集测量误差越小，测距越小测量精度越高、系统误差越小。

本文研究成果将为后续将数字图像相关分析方法应用到焊点的跌落冲击实验做准备。

5.学位论文安彤跌落冲击载荷作用下焊锡接点的力学行为研究2009

焊锡接点是电路板和电子封装之间传递电信号的媒介，同时还起到机械连接和支撑的作用，其破坏将直接导致电子产品失效。近年来，随着移动电子设备，如手机、笔记本电脑等的广泛使用，研究焊锡接点在跌落冲击过程中的受力和破坏成为移动电子设备可靠性研究的重要课题。对于焊锡接点跌落冲击可靠性的研究目前面临这样几个问题，一方面应变率效应对焊锡材料，特别是无铅焊锡材料的力学性能有显著影响，在分析焊锡接点在跌落冲击载荷下的力学行为时，必须考虑其应变率效应。同时，焊锡接点的失效更多的与其拉伸力学性能有关，但相关研究工作却鲜见报道。另一方面，目前由于缺少能够描述焊锡接点在高应变率下力学行为的材料模型，线弹性或率无关的弹塑性模型被用作跌落冲击模拟过程中焊锡接点的材料模型。由于这些材料模型完全忽略了应变率效应，会导致不准确的焊锡接点应力应变结果。因此，建立考虑高应变率效应的焊锡材料的本构模型十分必要。

本文采用分离式霍普金森拉压杆技术(SHPB/SHTB)分别对Sn37Pb、Sn3．5Ag以及Sn3．0Ag0．5Cu3种材料的拉伸和压缩动态力学性能进行了测量，得到了不同应变率下的应力应变曲线，讨论其应变率效应。在跌落冲击载荷下，焊锡接点的失效更多与其拉伸力学性能有关，因此本文重点对它们的抗拉强度、韧性等力学性能进行了讨论。根据得到的Sn37Pb，Sn3．5Ag和Sn3．0Ag0．5Cu焊料的动静态实验数据，建立3种焊锡材料的率无关三线性弹塑性模型和率相关Johnson-Cook模型，并对给出的模型进行了验证。建立了板级封装跌落冲击问题的电路板(PCB)、焊锡接点和器件结构的力学模型，研究焊锡接点阵列受力的特点，并讨论器件以及PCB板挠曲线对焊锡接点剥离应力的影响。提出了一个简化计算方法，并对该方法的合理性进行了初步讨论。将得到的材料本构模型应用于板级封装跌落冲击模拟，得到焊锡接点的应变率、考虑应变率效应的剥离应力和等效塑性应变，并与不考虑应变率效应的结果进行了比较。采用粘性区模型(CZM)模拟了焊锡接点在跌落冲击中的损伤破坏过程。本研究成果为跌落冲击过程中焊锡接点数值模拟提供了必要的基础。有助于电子封装工程师了解PCB板的变形情况和电子器件在跌落冲击条件下焊锡接点破坏的机理，为产品的可靠性设计提供依据。

6.学位论文金玲板级电子封装动态弯曲实验及其数值模拟2008

移动电子产品在跌落/冲击过程中,电路板与芯片之间的细小焊点连接是最容易发生破坏的部位,研究其在跌落/冲击中的力学行为是移动电子产品可靠性研究的重要内容。

本文对板级电子封装进行了4点动态弯曲实验,采用高速摄影技术和数字图像相关方法测量了PCB板的变形,建立了板级封装的动态弯曲有限元模型,并与实验结果对比验证,研究了设计和实验参数对焊点应力的影响。

结果表明,采用高速摄影结合数字图像相关方法测量动态PCB变形的方法是可行的,建立的模拟动态弯曲过程的数值模型是合理的。钢球跌落高度增大,焊点应力和PCB挠度增大,但当跌落高度达到168mm时,应力增加趋于缓慢；PCB板的弯曲刚度对焊点应力有显著影响,某一特定的PCB板弯曲刚度对应焊点应力最大值,当PCB刚度达到这一值时,焊点应力达到最大值,随后应力随着刚度增大反而下降；封装安装角对焊点应力有显著影响,设计中应尽可能减小安装角以降低焊点应力。

本文研究的结论有助于电子封装工程师了解PCB板的变形和焊点的破坏情况,为移动电子产品跌落/冲击可靠性设计提供方法和依据。

7.学位论文陈娜无铅焊锡材料动态力学性能研究2008

电子封装是电子产品的核心部件。移动电子产品和机载、车载电子设备不慎跌落或在高加速度环境下工作时,电子封装中起到机械连接与电连续作用的焊锡接点会受到冲击载荷作用,产生较高的应变率。因此,研究无铅焊料高应变率下的动态力学行性能对于电子封装可靠性研究具有重要意义。

为得到焊锡接点高应变率下的本构模型,本文利用分离式霍普金森拉压杆技术分别对63Sn37Pb、96.5Sn3.5Ag以及96.5Sn3.0Ag0.5Cu三种材料的拉伸和压缩动态力学性能进行了测量,得到了不同应变率下的应力应变曲线。结果表明三种材料均具有明显的应变率效应,随着应变率的提高,材料的屈服应力和流动应力均有显著提高。比较而言,96.5Sn3.5Ag的率相关效应最明显；Cu元素有助于提高无铅焊料的强度,使得96.5Sn3.0Ag0.5Cu具有更高的屈服应力和抗拉强度；随着应变率的提高,塑性功转化为热量所导致的温度升高使材料发生明显的热软化现象；抗拉强度随着应变率的升高而提高,失效点应变却减小,高应变率使材料趋于发生脆性破坏。

根据实验数据,确定了2种无铅焊料的Johnson-Cook模型参数,并将其嵌入到ABAOUS软件对实验过程进行数值模拟,将模拟结果与实验结果对比,验证了给出的Johnson-Cook模型参数的合理性。该模型能较好描述2种材料高应变率时的力学行为。采用提出的JC模型,模拟了2种材料在动态拉伸时的温升现象,并研究了温升对材料应力-应变行为的影响。

本文的研究成果为跌落/冲击过程中焊球数值模拟提供了必要的基础。

8.会议论文白洁.秦飞板级电子封装跌落/冲击中焊点的动力响应2007

建立了板级BGA封装跌落冲击问题的三维有限元模型,采用Input-G方法对PCB板的变形及焊锡接点动力响应进行了分析,对焊点剥离应力产生的机理进行了讨论,并在频域中研究了焊点的应力响应谱和封装的振动模态。结果表明,焊点应力最大值出现在冲击发生后0.48ms,焊点应力与PCB板的弯曲变形密切相关,在JEDEC标准JESD22-B110中H冲击条件下,板级封装主要以第一个阶模态振动,第五阶模态对焊点应力的影响较为明显。由于高阶振型的影响,焊点应力曲线不光滑,产生突变毛刺。

9.学位论文肖伟民SnAgCuRE无铅钎料的微观力学行为研究2008

微电子封装中,无铅钎料的力学性能已成为影响互连接头可靠性的关键因素。近年来,向工业用SnAgCu钎料中添加少量稀土(RE)元素被证实能够显著

提高材料的力学性能,并具有较高的经济价值。因此,深入理解SnAgCuRE钎料的微观变形与断裂行为对于更好地改善封装接头可靠性及进行寿命预测工作具有重要意义。本文对Sn3.8Ag0.7Cu0.05RE无铅钎料在三种不同加载条件下的微观行为进行了研究,在综合的力学性能测试和显微组织分析的基础上,考察了钎料在微米尺度上的动态变形和断裂机制,分析了稀土元素在钎料动态微观行为中的增强作用。

在单调拉伸应力作用下,Sn3.8Ag0.7Cu0.05RE合金所表现出的晶内塑变与穿晶断裂机制,是其与Sn3.8Ag0.7Cu合金相比力学性能提高的主要原因。稀土元素在合金变形中阻止了共晶相内微裂纹的扩展,抑制了晶粒边界的滑移行为,改善了各相间的应力分布状况,最终提高了合金强度与塑性。

在循环应力作用下,Sn3.8Ag0.7Cu0.05RE接头通过降低稳态变形阶段的蠕变疲劳变形速率,使其蠕变疲劳寿命明显提高。稀土元素在接头变形中降低了界面层组织厚度,改变了裂纹在界面的扩展路径,减少了接头钎料部分的蠕变疲劳损伤,因而增加了接头的抗蠕变疲劳性能。

对跌落冲击损伤的Sn3.8Ag0.7Cu0.05RE合金试样进行单调拉伸性能测试后发现,冲击损伤带引发了严重的局部应力集中,导致损伤带内微缺陷的快速生长和合金的不完全塑性变形,最终使得合金拉伸强度比正常试样下降了60％以上,合金塑性下降了50％以上。稀土元素在单调拉伸变形中未能阻止冲击损伤对合金拉伸强度和塑性的影响。

本文链接：e804a879168884868762d61b/Periodical_bjgydxxb200710006.aspx

授权使用：武汉理工大学(whlgdx)，授权号：158b9d72-6b9f-4f55-b273-9df300f698f3

下载时间：2010年9月16日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n2bl.html