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伴随着电子设备的发展,印刷电路板成为电子设备结构中不可缺少的一部分,而PCB板上的电子元器件则是电子设备的核心。电子设备在制造、运输及使用的过程中难免受到机械振动和冲击的作用,因此对电子元器件机械可靠性的研究具有极其重大的意义,且对目前最具应用前景的集成电路封装形式之一CSP封装的机械可靠性研究变得更为重要。
针对不同结构和材料参数的芯片集成模式,设计制作了一块CSP电路板组件样品,开展了动态特性、疲劳特性以及基本抗振特性的研究。主要研究工作如下:
利用模态分析方法研究了CSP组件的动态特性。采用有限元分析软件ANSYS中的模态分析模块建立了该CSP组件的有限元模型并进行了不同约束条件下的加载计算,在建模过程中考虑到芯片焊点过多,对芯片进行了简化处理。通过与试验模态分析结果相对比,得到了该组件的前五阶固有频率及相应频率下的模态振型等模态参数,同时验证了所建立的有限元模型是准确的,可作为以后进行疲劳寿命估计和结构优化的基础。
结合试验测试和理论计算对该CSP组件的振动疲劳特性进行了研究,在研究中通过振动试验对CSP组件进行了正弦激励和随机激励下的加载,建立了不同激励下各芯片的疲劳载荷谱,并通过雨流计数法得到了在不同应力条件下的应变幅和平均值。基于高周疲劳寿命公式,得到芯片不同应力条件下的疲劳寿命。建立并分析了不同封装方式、焊点材料、芯片位置以及激励大小对疲劳寿命影响的S-N曲线。最后,基于三带技术和疲劳损伤累积理论得到了一种芯片关键角端焊点振动疲劳寿命预测的分析方法。
针对该CSP组件的抗振特性,通过试验对该组件进行了抗振特性测试,测试前设计了封装芯片振动试验系统,讨论了传感器测试数据误差的处理方法;通过改变振动幅值、振动频率和封装芯片的类型得到了芯片系统的基本工作特性变化规律(力学特性),分析了芯片系统的抗振特性与振动强度、振动频率以及结构参数之间非线性特性的变化规律。研究表明该芯片系统的工作特性具有一定的非线性规律和良好的设计可控性。
本文的研究结果可作为以后进行该类芯片振动可靠性研究的基础,对该类电路板组件的结构优化和可靠性设计有重要的参考价值。