焊點可靠性之溫度循環(huán)載荷下SMT焊點內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變場分析

1、圖1-6典型SMT焊點二維有限元網(wǎng)格劃分13焊點可靠性之溫度循環(huán)載荷下SMT焊點內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變場分析SMT焊點內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變場的分析是一個材料非線性、幾何非線性、載荷非線性的復(fù)雜問題，盡管存在一些解析分析方法心1,77-80，F(xiàn)EM無疑提供° 陽1(6 if7 10-3(0 1# 圖1-6典型SMT焊點二維有限元網(wǎng)格劃分13# 圖1-6典型SMT焊點二維有限元網(wǎng)格劃分13圖1-5 Sn-Pb共晶合金蠕變試驗數(shù)據(jù)與Wong方程計算結(jié)果比較69Fig. 1-5 Comparison of experimental creep data and calculation resultsby

2、Wong ' s equation for SnPb eutectic solder了最好的分析工具81。在有限元網(wǎng)格模型建立方面，絕大多數(shù)研究采用二維 網(wǎng)格8,12,13,27,75,82-85，方面是因為節(jié)省計算時間和資源，另一方面是因為進 行斷裂力學(xué)參數(shù)計算時，J積分不存在三維表達式。典型SMT二維網(wǎng)格見圖1-6,只包含整個 SMT組件的有限個焊點。Bhatti等人采用網(wǎng)格轉(zhuǎn)換的多點 約束方法解決了整個 SMT組件的網(wǎng)格劃分問題，見圖 1-7，實現(xiàn)了真正的三 維實體有限元網(wǎng)格建模75 oRuderSLippUPWBFig. 1-6 Typical two-dime nsio na

3、l FEM model of SMT solder joi nts圖1-7 52引腳PLCC封裝J形引線SMT焊點三維有限元網(wǎng)格劃分75Fig. 1-7 Three-dimensional FEM model of 52-pin PLCC從文獻資料來看，SMT焊點內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變場的FEM分析在焊點可靠性 研究方面主要有三種應(yīng)用。（1）通過計算得出焊點內(nèi)部循環(huán)非彈性應(yīng)變范圍以代入M-C型方程預(yù)測焊點壽命。如Mukai等人在預(yù)測BGA焊點壽命時，先通過 FEM計算得出循 環(huán)等效蠕變應(yīng)變范圍（見圖1-8），而后代入下式預(yù)測焊點熱疲勞壽命 86:Nf1 940.146( cr) 1(1-12)2 圖1

4、-6典型SMT焊點二維有限元網(wǎng)格劃分13# 圖1-6典型SMT焊點二維有限元網(wǎng)格劃分1341 IBM -l壯 i a h UM圖1-8 BGA焊點釬料合金凸臺的等效蠕變應(yīng)變范圍分布86Fig. 1-8 Equivalent creep strain range distribution in solder bump of BGA（2）根據(jù)焊點內(nèi)部最大等效應(yīng)力或等效非彈性應(yīng)變位置來預(yù)測裂紋萌生 地點。Lee等人通過FEM計算得出翼形引線 SMT焊點內(nèi)部蠕變應(yīng)變等值分 布圖（圖1-9a），并與失效焊點內(nèi)部裂紋的SEM圖象（圖1-9b）進行對比，從而認為最大蠕變應(yīng)變所在位置為裂紋萌生位置12。而Ju

5、 ng等人在分析PBGA焊點熱循環(huán)可靠性時，通過FEM計算得出von Mises等效應(yīng)力等值分布圖（圖# 84O1-10),并認為最大等效應(yīng)力所在位置為裂紋萌生位置3 # a)b)圖1-9翼形引線SMT焊點FEM計算結(jié)果與失效焊點 SEM觀察結(jié)果對比12a)蠕變應(yīng)變等值分布b)焊點內(nèi)部裂紋 SEM觀察Fig. 1-9 Comparison between FEM calculation results and SEM micrographof failure solder joint with J-leada) Creep stra in con tours in the solder joi

6、ntb) SEM micrograph of the cross sect ion of the solder joi nt to show the crack山 pick闈 m nn I, mix pbca 厲皿人-氓、圖1-10 PBGA焊點內(nèi)部von Mises等效應(yīng)力分布84Fig. 1-10 Von Mises equivale nt stress distributi on in PBGA solder joint(3) 以焊點內(nèi)部等效應(yīng)力場分布作為優(yōu)化設(shè)計判據(jù)來評價不同形態(tài)焊點 的可靠性。Lau等人在分析翼形引線SMT焊點形態(tài)對可靠性的影響時，通過FEM計算得出不同形態(tài)焊點內(nèi)部等效應(yīng)力分布圖，如圖 1-11所示。通過比 較引線底面所對應(yīng)的焊點上部的應(yīng)力值大小，得出焊點無釬焊圓角時可靠性 較差的結(jié)論87。# c）圖1-11不同形態(tài)翼形引線焊點內(nèi)部的von Mises等效應(yīng)力分布87a）參考分布b）釬料量過多c）無釬焊圓角Fig. 1-11 Von Mises equivale nt stress con tours