冲击载荷下BGA封装焊点的力学特性研究

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通常,温度循环产生的交变应力是BGA(球栅阵列)封装焊点失效的主要原因,但随着大量的BGA封装产品越来越广泛地应用于各种条件日益恶劣的环境中,冲击载荷对封装件可靠性的影响也是不容忽视的,特别是航空航天和军事电子设备。因此,进行冲击载荷下BGA封装焊点的可靠性研究并设计更加结实的BGA封装是必需的。本文将BGA组件简化为弹簧—质量块、梁和平板三种模型,分析了冲击载荷下BGA组件的动力学特性。结果表明:(1)组件的动态响应受控于主振型;(2)PCB基板与输入的冲击载荷的频率之比对组件的动态响应有显著影响。采用解析法与有限元分析相结合的方式考察了BGA组件的结构参数和材料特性等因素对焊点应力的影响,并运用参量分析法比较了这些因素对焊点应力的影响程度。结果表明:(ⅰ)PCB板与BGA器件之间的差动挠曲给焊点带来的应力比焊点在纯加速度及BGA器件惯性作用下经历的应力高3个数量级。(ⅱ)冲击载荷下,同一个BGA器件上各焊点的应力与焊点的位置密切相关,远离对称中心的焊点是承受最大应力应变的关键焊点;BGA焊点上最易出现失效裂纹的区域是关键焊点靠近PCB基板一端的外侧区域。(ⅲ)参量分析的结果显示:BGA器件和PCB基板二者的弹性模量对焊点应力影响不大;增大焊点直径或减小焊点模量是减小焊点应力、提高焊点抗冲击能力的有效途径;采用较大或者较小厚度的PCB基板也可有效减小焊点应力,提高焊点的可靠性。与温度载荷不同,改变焊点高度不能有效降低焊点的应力。本文所建立的模型及分析的结果可作为以后进行冲击载荷下BGA封装焊点疲劳寿命预测和焊点形态优化等焊点可靠性研究工作的基础。
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