陶瓷封装球栅阵列焊点失效机理研究

研究了陶瓷封装球栅阵列(CBGA)的焊点在长期使用后开裂的失效机理,提出了改善此类元器件焊点可靠性的有效措施。通过X-ray分析、显微剖切、扫描电镜和能谱分析(SEM&EDS)等手段,研究分析了CBGA封装器件焊点失效的机理与成因;基于失效机理,提出了针对性的改善措施,并验证了相关措施的有效性。研究结果表明,由于CBGA器件本体与印制板之间存在较大的热膨胀系数差异,导致焊点在长期使用后出现了热疲劳开裂失效,通过更换焊球类型以增加焊点高度可以显著地改善焊点的可靠性。

陶瓷球栅阵列封装元器件工艺装联适应性验证方法

针对陶瓷球栅阵列封装(CBGA)元器件,设计了一套完整的工艺装联适应性的验证流程与方法,并将该方法在一款CBGA器件中进行了应用。通过开展CBGA元器件工艺装联适应性验证,有效地识别了该款电子元器件在温度循环应力下存在的焊点开裂风险。该焊点开裂主要是由于元器件本体与印刷电路板(PCB)之间的热膨胀系数存在差异,在温度交替变化的环境中,焊点受到热机械疲劳应力作用从而发生开裂。该问题可以通过对CBGA器件进行点胶加固或采用柱栅阵列封装(CCGA)进行有效改善。

环境应力影响下球栅阵列封装焊球仿真分析与力学性能研究

高密度、高性能集成电路主要封装技术采用球栅阵列封装(ball grid array,BGA),其高密度Sn-Pb焊球在极端高、低温及湿热环境的影响下可靠性无法保证。为解决温度变化产生的热膨胀问题,笔者通过有限元仿真计算BGA电路中焊球在高、低温交替循环应力下瞬态黏塑性应变范围,并采用改进的Coffin-Manson经验方程计算器件在温度循环试验下的热疲劳寿命;此外,进一步采用准静态剪切和拉脱试验分析分别经过温度循环及高压蒸煮环境试验后焊球的力学性能,同时采用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)和能谱分析仪(energy dispersive spectroscopy,EDS)对焊球切面进行分析。研究表明:焊球在温度循环试验下具有较长的疲劳寿命,在不考虑焊球导电与连接性能的前提下,适当环境应力的影响可促使焊球与焊盘界面区域金属间化合物的生成,有效增强了焊球的剪切力学性能。

陶瓷球栅阵列封装器件植球工艺研究

陶瓷球栅阵列(CBGA)封装器件由于其优异的电性能和气密性等优点而被广泛应用于军事、航空和航天领域,CBGA器件的再植球技术在电子产品维修中频繁使用。本文以CBGA380封装器件为案例,对高铅焊盘残留焊锡清理、锡膏印刷、植高铅球等工艺做了详细的阐述,并通过光学及电镜对焊点的质量进行了多方面检查,检查结果验证本文的工艺方法有效、可靠。

球栅阵列(BGA)器件焊点形态成形建模与预测

本文基于最小能量原理建立了塑料球栅阵列（ＰＢＧＡ）焊点形态成形模型，运用有限元方法预测ＰＢＧＡ焊点形态，并对预测结果与其它不同模型的预测结果和实验结果进行了对比．结果表明，有限元方法预测结果与其它模型结果和实验结果吻合良好．

基于正交试验设计的塑封球栅阵列器件焊点工艺参数与可靠性关系研究

基于正交试验设计法对塑封球栅阵列(PBGA)器件焊点工艺参数与可靠性关系进行了研究.采用混合水平正交表L18(2×37)设计了18种不同工艺参数组合的PBGA测试样件,进行了546小时、最大循环周数2140周的PBGA测试样件可靠性加速热循环试验.基于试验结果进行了极差分析和方差分析;研究了PBGA测试样件寿命的威布尔分布;采用有限元分析方法对热循环加载条件下PBGA焊点内应力应变分布进行了研究.试验结果表明失效焊点裂纹出现于焊点与芯片基板的交界面上.研究结果表明:样件规格对PBGA焊点可靠性有高度显著影响,芯片配重对PBGA焊点可靠性有显著的影响,焊盘直径和钢网厚度对PBGA焊点可靠性无显著影响;最优工艺参数组合为:S2D2G2M1和S2D2G2M2.有限元分析表明在热循环加载条件下PBGA器件内应力最大区域位于焊点与芯片基板的接触面上,裂纹首先在焊点与芯片基板的接触面处产生,有限元分析结果与试验结果相吻合.

基于全面析因试验的塑封球栅阵列器件焊点可靠性

采用全面析因试验设计方法设计了多种不同工艺参数组合的1.0mm引脚间距塑封球栅阵列(PBGA)器件测试样件,进行了500h的可靠性热循环试验;基于试验数据进行了极差分析和方差分析;用有限元方法分析了PBGA器件焊点内的应力分布.试验结果和有限元分析结果均表明,失效焊点裂纹出现于焊点与芯片基板的交界面上.极差分析表明,最优的工艺参数组合为钢网厚度0.14mm,焊盘直径0.34mm,芯片配重质量11.0384g或17.1084g.方差分析表明,芯片配重质量对1.0mm引脚间距PBGA器件焊点的可靠性有显著的影响,而焊盘直径和钢网厚度对可靠性无显著影响.

塑封球栅阵列焊点热疲劳寿命预测有限元方法

选取典型的塑封球栅阵列封装器件,将其建模为由封装外壳、硅芯片和基板组成的三层结构,采用粘塑性材料模式描述锡铅钎料的力学本构关系,建立器件的三维有限元模型,通过有限元仿真得到焊点的应力应变分布云图、应力应变回线及关键焊点的应变范围,最后根据基于应变的Engelmaier疲劳模型预测塑封球栅阵列焊点的寿命。结果表明,在热循环条件下,塑封球栅阵列封装器件的关键焊点的位置位于器件芯片边缘的正下方,并不位于最边缘的焊点处,为改进塑封球栅阵列焊点的热疲劳可靠性提供了依据。

芯片叠层球栅阵列尺寸封装的焊球疲劳寿命预测

应用弹粘塑性有限元法对芯片叠层球栅阵列尺寸封装的焊球,在热循环条件下(-40～125℃)进行了数值模拟,并在此基础上进行了可靠性分析。由于封装体内不同材料间热膨胀的不匹配会在焊球连接上产生很大的塑性形变。在热循环加载条件下,最终会萌生裂纹,致使整个芯片失效。本文基于ANSYS有限元分析软件,以塑性应变能作为研究对象,讨论了焊球的可靠性分析方法,最后利用子模型法探讨了网格的疏密对焊球寿命的影响。

微电子封装微尺度球栅阵列焊点三点弯曲应力应变分析

建立了微尺度球栅阵列焊点三点弯曲应力应变有限元分析模型,在三点弯曲加载条件下,分析了焊点直径、焊点高度、焊盘直径和弯曲加载速率对焊点弯曲应力应变的影响。结果表明:焊点内最大弯曲应力应变随焊点直径、焊点高度和弯曲加载速率的增大而增大、随焊盘直径的增大而减小;在置信度为90%时,焊点直径对焊点内最大弯曲应力具有显著影响,焊点高度和焊盘直径对最大弯曲应力影响不显著,焊点直径对最大弯曲应力产生影响最大、焊盘直径对最大弯曲应力产生影响次之,而焊点高度对最大弯曲应力产生影响最小。

Sn-Ag-Cu无铅球栅阵列焊点塑性表征

通过纳米压痕的方法,采用塑性应变与总应变的比值表征塑性,对SAC305/Cu、SAC0307/Cu和SAC0705Bi Ni/Cu这3种无铅焊点的动态硬度、抗蠕变性能及塑性进行了对比。3种焊点的动态硬度随深度变化趋势相同,随着压入深度的增加而降低。SAC0705Bi Ni/Cu的最终动态硬度最高,压痕深度最小,SAC305/Cu表现出应变硬化现象。3种焊点的抗蠕变能力由大到小依次为SAC0705Bi Ni/Cu、SAC305/Cu、SAC0307/Cu。SAC0705Bi Ni/Cu焊点的塑性与SAC305/Cu焊点的相当。与SAC305和SAC0307两种钎料相比,无铅钎料SAC0705Bi Ni通过Bi和Ni元素的加入,提高钎料的硬度和抗蠕变性能,并且保持较好的塑性。

热冲击条件下1.27mm引脚间距塑封球栅阵列器件焊点可靠性测试与分析

通过热冲击试验对1.27 mm引脚间距塑封球栅阵列(PBGA)器件焊点可靠性进行了测试与分析。选取钢网厚度、芯片配重、焊盘直径三个影响焊点可靠性的关键因素设计了多种不同工艺参数组合的PBGA测试样件,对样件进行了可靠性热冲击试验。对试验结果数据所进行的极差分析和方差分析以及对焊点寿命威布尔分布的计算表明,钢网厚度对PBGA焊点可靠性有显著的影响;最优工艺参数组合为钢网厚度0.15 mm、焊盘直径0.73 mm、芯片配重18.054 7 g;PBGA测试样件寿命服从形状参数为0.85,尺度参数为6 254.88的威布尔分布。

球栅阵列倒装焊封装中的热应变值的测试

利用高温云纹实验方法测试球栅阵列 (BGA)封装焊点的热应变 ,采用硅橡胶试件光栅复制技术 ,使测试环境温度提高到 2 0 0℃ .通过实时热应变测量 ,得到各焊点的热应变关系以及封装材料、电路板各部分的热应变分布状况 。

随机振动载荷下塑封球栅阵列含铅焊点疲劳寿命模型

对塑封球栅阵列(PBGA)封装器件Sn37Pb焊点进行了正弦振动、随机振动实验,得到各个载荷下焊点的疲劳寿命结果。建立了三维有限元模型,进行与实验条件一致的有限元分析,计算焊点的应力;将实验结果与有限元计算相结合,并基于Steinberg寿命预测模型,发展了随机振动载荷下焊点疲劳寿命预测方法。结果表明,疲劳寿命模型预测结果与实验结果吻合较好,该方法可应用于PBGA封装焊点在随机振动载荷下的疲劳寿命评估,为PBGA封装器件的设计与使用提供指导。

球栅阵列封装焊点寿命预测的综合方法

为了实现球栅阵列(BGA)封装焊点寿命的快速工程估算,建立了焊点的简化应力分布解析模型,利用蠕变寿命预测模型求解得到其热疲劳寿命.在需要精确预计焊点寿命时,建立了BGA封装焊点的三维有限元模型,利用ANSYS中的Anand方程得到焊点应力分布,利用Darveaux寿命预测模型预测焊点热疲劳寿命.采用ANSYS的二次开发功能将解析和有限元方法综合在主程序中.不论是快速估算还是精确预计,用户只需输入封装及焊点的尺寸、材料参数以及温度循环参数即可得到焊点寿命.结果表明,解析模型对参数变化更敏感,有限元的结果则较平稳.

倒装陶瓷球栅阵列电子封装的热模型研究

针对倒装陶瓷球栅阵列（flip chip ceramic ball gridarray，FC-CBGA）封装，采用有限元数值方法，建立三维有限元的详细热模型。在5w热负荷下，分析裸芯式、平板式和盖板式三种形式，不同芯片尺寸（5min×5mm、15mm×15mm和20mm×20mm）以及不同润滑剂材料对系统热阻的影响。结果表明：采用盖板式能使芯片结点温度降低约10℃；芯片增大能使热阻降低88％～93％，改变导热润滑剂的材料热阻降低67％～80％。该模型结果与FLOPACK结果对比，误差在8％以内。

基于自组装成品率的球栅阵列焊点工艺参数分析

为了提高球栅阵列焊点封装器件的自组装成品率,研究了焊点体积偏差率及焊盘直径对器件自组装成品率的影响。考虑封装器件的温度翘曲变形、焊点体积的不可避免的制造误差及焊点位置的随机性,分析了器件自组装过程。通过求解不同体积焊点的形态,得到了不同体积焊点的液桥刚度曲线。基于不同体积焊点的液桥刚度曲线,仿真分析了焊点体积偏差率及焊盘直径对器件自组装成品率的影响。结果表明,焊点体积偏差率及焊盘直径的减小会增大焊点液桥刚度曲线的公共范围,从而提高器件的自组装成品率。

跌落碰撞下球栅阵列无铅焊点失效分析

为探究板级跌落碰撞下球栅阵列(BGA)无铅焊点的失效机制,分别进行了3种不同高度下BGA无铅焊点跌落试验和染色试验,分析无铅焊点在跌落碰撞下的失效机制,并与前人结果加以对比.结果表明,在跌落碰撞下,无铅焊点的失效机制为靠近封装一侧的金属间化合物(IMC)界面脆性断裂,BGA无铅焊点失效的根本原因是机械冲击和电路板(PCB)的往复弯曲.

球栅阵列焊点空洞缺陷的数学形态学分析

球栅阵列(BGA)焊点焊接过程中容易产生气泡,形成空洞缺陷,检测时如何自动分析一直是个难题。提出使用Otsu算法分割焊球,使用数学形态学中的开闭运算、顶帽变换提取空洞缺陷的技术方案,实现每个焊点空洞缺陷的准确提取和自动分析。实验结果表明,提出的技术方案鲁棒性强,可应用于BGA焊点的空洞缺陷检测。

保护气氛再流焊对塑料球栅阵列焊点性能的影响

采用静态弯曲和高速弯曲变形实验方法讨论了保护气氛再流焊塑料球栅阵列 ( PBGA)组装板焊点的性能。结果表明 ,采用氮气保护再流焊工艺得到的 PBGA组装板的最大弯曲试验载荷和冲击功比采用压缩空气对流再流焊工艺的组装板要高。氧气含量在 10 0 0 ppm到 50 ppm范围内 ,随着氮气纯度的提高 ,冲击功提高 ,而最大弯曲载荷变化不大。焊点的冲击断裂表面位于PCB板和焊球之间形成的脆性的中间合金层区域。气孔和杂质主要分布在焊盘的边缘。氮气保护再流焊可以显著降低焊接界面处的缺陷密度 。