封装的热-应力失效对电子器件可靠性有着重要影响,在BGA封装中尤为突出。应力是导致焊球失效的直接原因,进而致使器件失效。有限元分析可以方便地得到全场及局部的变形和应力解,从而减少设计成本和分析的循环周期。本文对球栅阵列封装器件在温度循环载荷作用下的力学行为进行试验分析,采用高倍显微镜观察焊点形貌,研究器件的失效机制,分析裂纹萌生和扩展的方式。试验结果表明,随着循环次数的增加,焊球的粗化程度逐渐显著,器件的周边焊球最先失效;由于不同材料的热膨胀系数失配,裂纹最先萌生于四周最外侧焊球与芯片界面边缘处,芯片的裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展,裂纹萌生和扩展是该处应力应变集中、热循环和蠕变相互作用的结果。应用有限元仿真软件ANSYS建立BGA的二维模型进行模拟,分析芯片在(-40℃~125℃)热循环载荷下的应力分布及变形情况,为更接近器件的实际焊点形状,本文采用鼓形焊球进行研究。模拟结果表明,应力和变形值最大点位于周边焊球和芯片接触的部分;在通用后处理时可以确定器件的结构失效点,通过时间历程后处理发现,随着温度循环次数的增加,危险点应力应变的峰值相应增大并趋于一个稳定值。对焊点的优化设计是焊点可靠性研究的重要内容。由于器件和加载的对称性,本文建立单焊点三维模型来分析焊点形态对器件的热可靠性影响,焊点由63Sn37Pb钎焊材料组成,采用了Anand模型。分析结果表明:在焊球高度不变的情况下,随着焊球半径的增加,VON Mises应力应变先减小后增加,其增加的幅度逐渐减小;在焊球半径固定情况下,随着焊球高度的增加,VON Mises应力应变逐渐变小,最后趋于稳定值。本文所做的工作对于焊球的设计和完善具有一定的参考意义,为在实际焊接过程中提高焊点质量提供了理论依据。此外,本文在建模过程中采用了ANSYS软件自带的APDL语言,编写相关程序,可以方便、高效地应用ANSYS有限元软件进行芯片封装的模拟分析。