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1、有限元仿真技术在板级工艺可靠性设计中的应用叶裕明、刘桑一华为技术有限公司摘要： 电子产品在生产、运输、运行阶段承受了热应力、机械应力、振动、碰撞 等恶劣环境， 这对产品的可靠性设计提出了严重挑战。本文介绍了有限元仿真技术在电子产品板级工艺可靠性设 计分析中的应用，涉及单板机械变形分析、面阵列器件焊点热应力分析等。始在电子封 装及组装领域广泛应用，至今已能对电子产品 进行热分析、结构分析、电磁场分析以及各种物理场的耦合分析。近年来，业界在板级工艺可靠性研究中应用仿真技 术关注的重 点是：面阵列器件焊点疲劳可靠性评估、面阵 列器件焊点跌落 冲击可靠性评估、PCBA高温翘曲变形、PTH疲劳可靠性评估
2、、 CSP/Underfill可靠性评估等方面。本文主要对工艺可靠性仿真分析典型模型、材料数据、方法进行了总结，并结合实际的案例阐述仿真技术的应用。材料特性焊点材料1、锡铅焊料A、焊点材料模型锡铅焊点本构推荐使用 9参数的 Anand 粘塑性模型与 4参数的Garofalo 蠕变模型，具体如表 1和表 2所示。it霍馆样報曲and欄皿卉竝龜碎申的參戡盛皿胡權里前魯數爲(MPa 12.41qQ/R 1S.7&h Im&nswnEQSs .07C,a dimsnsbonlBss 1.3*2,转谄焊科Gz忙制州歿聲致CME唤】w-rrH37.76fl6-74414T)3.36360B、裂纹扩展模型对
3、于锡铅焊点，业界广泛采用的是 Darveaux 裂纹扩展模型魏纹生衽速率： 譽士心酰严忆其中，W为单位体积焊点每个循环中的塑性功增量,需要注意的是，每个循环的增量必须保持稳定。K1K4为材 料常数,Darveaux, R. 给出了 63Sn37Pb 焊料的相关系数 1。C、加速因子计算模型 对于锡铅焊料，业界公认采用如下加速模 型：其中，f为循环频率、T为温度幅值、Tmax为峰值温度。2、无铅焊料 (SnAgCu)A、焊点材料模型对于无铅焊料，由于焊料成份的差别，业界所用的模型也各有差别，表 3 列出了不同合金成份的 Garofalo 模型。*3：无悩輝厲章杠能用嚴rtiGW旬Cj il /F
4、a)Cjnon-pmCJKJ+41000Sfi-9斗盘541235.75Sr5AgO.75Cu Sna.EAaO&Cu2779-M.024476.41S500B、裂纹扩展模型一般采用的参量有蠕变应变和蠕变应变密度能，对此有两种模型可供选择Syed model Li /YAMiin = (0.115SjTd model 11：= (0.0019u_l阳其中，Nmean为平均寿命、Ncha为特征寿命、8 acc为累积 蠕变应变、 wacc 为累积蠕变应变密度能。C、加速因子计算模型对于无铅焊点，目前业界没有公认的加速因子计算模型，可以暂 时采用 Norris-Lanzberg 模型：AF -卫m2
5、*5(山尸恥贮冲&勺7)J狗止人 Ihnng TZJ其中，t为高温阶段保持时间，T为温度幅值、Tmax为峰值温度。PCB 材料在仿真模型中， PCB 材料是影响结果的另一个重要 因素，由于 实际单板中走线的分布、 铺铜量都有很大的不 同，这将影响 PCB 的刚度。因此，通过试验的方法获取常规 PCB 的弹性模量对于 真实模拟实际问题有着重要的意义。在试验中，取、等几种常规板厚的PCB进行三点弯曲/四点弯曲试验，结合材料力学的梁弯曲理论，计算出 PCB 的等效弹 性模量，试验结果如图 2，数据的分散性较小，对每组样本的结 果平均化处理后得 到：18178Mpa、18678Mpa、18024Mpa
6、。此外，走线层 数（0、2、4、6、8层）对PCB整体弹性模量的影响不大。ffit ! 4lW曲示垃團如引脚、数据库，包3 所示）。12000 II1J9：2j0PCB ihkknMtbus不同tom品的谭试材料数据库通过搜集业界资料和供应商信息，针对常用器件材料 塑封、陶瓷、载板、 Underfill 等，建立了初步材料 括弹性模量、泊松比、膨胀系数等参数（示意图如图案例分析面阵列器件焊点热应力分析1、问题描述某产品单板需要采用新型的 FCBGA 器件替代原来使用 的FPBGA 器件，但对应的焊盘大小与 PBGA 差别较大，见表 4 根据几种可能的组合评估相应的焊点疲劳可靠性。144：鼻忡削
7、良姮计坦合逛计FP船A 理件 M#& 22mHFCWA 黑样側增盘対（di盘 20制離萎嗣吉錦装砰将24mil霜31评怙咼要评怙针对 FCPBGA ，供应商给出了两种 PCB 焊盘尺寸的可靠 性数 据，见表 5。表明 PCB 焊盘尺寸为 22mil 与 18mil 对焊点 的可 靠性影响不大。同时染色起拔的结果表明，裂纹在裸芯片底部边缘的焊点首先萌生。K5：惧应羽庫愼胸可紀魅试藕辻庶可靠怪试验PCBftaaR-T1500御环却0（牖环驚一凍22ms说弭與戚SW9t驚二阪ISfflilawsw菠商失僉域：审4评e健if盛甸力录嘱團 详！a沅段媪的閒化采用对角线条状模型的优势在于降低计算量，可以将
8、更多的精力关注在局部焊点网格的细化、计算上。3、结果分析结构的变形趋势、危险焊点及其危险区域如图 5 所示，仿真得到的危险区域与可靠性试验结果吻合。国宜施如柱邛简血履下划墮理牯溟*七下学方向蛮形 . UJB !100TTY方向变形.EkM.Irtu也.HirtTY-lm m ii uhIlHi Utl ie-ST.5-31 m iru H.im-eiiiTIIR 艸Mi !mL rrE4M . UU 4 li,!ir.V31 IM as-. IWt-lf I RM -.r*VI-*iM 1JHIU 1ri rf.T=BL RJTBg在此基础上，改变 PCB 焊盘的设计尺寸再计算，并将 危险焊点
9、 的蠕变应变密度能取出，结合文献 1 中的参数，代 入公式(1)和 (2)即可得到寿命评估的结果如表 6，可以认为当 SUB pad/PCB pad= 时，焊点的寿命最好。此外，参考 其它公司的研究成果后， 即可对表 4 的替换组合作出相应的评估结果，见表 7。衰15:不缶MB爆盘尺寸吓的呻曲时比PCBJS 盘建事0.4rmn/1.7nil25mil1,4aaso0 5mmd9 6mil竺mil1.120.56mTn22mil22mil1.03S322milas3145張门Bi件魅换绡宵煜点可昂怜评f占磊聲绘音述计FPBGAPSBGA 恭件個揮盘31milpcawiifi：MfniEOK且近俎
10、忧的 m 比 tm不旋囱更、比梢伽屁试谜计， 埠底可曙辖无iffi伐证Sll祷下降7怡QK.桶略有下牡单板机械变形分析1、问题描述某产品单板在安装了散热器后单板弯曲变形较为严 重，可能会 对底面的陶瓷电容等应力敏感器件产生影响； 经过分析，认为 影响弯曲变形的主要因素可能有螺孔对位 公差、散热器重量、 螺钉预紧力等，利用仿真方法分析了 影响变形的主要因素并对改进措施提供方案。 2、有限元模型 在有限元模型中需要对实际物理模型进行简化，只需包括PCB、散热器、垫片、螺栓等,如图 7。3、结果分析A、影响因素研究单板在重量为359g散热器作用下的变形趋势如图 8所示，PCB 板边散热器正下方的 Y
11、 方向变形最大， 与实 际的变形情况吻合。 在影响因素分析中，分别单独考虑 各因素导致的变形量，以对 比各因素所占的权重：对位 公差从最大Y方向变形从-； 散热器重量从200g-359g，最大Y方向变形从-；螺栓预紧力 从 1Kg-5Kg ，最大 Y 方向变形从 -；综合分析后，三个因素所 占的权重分别为 13、 50、 37，可见散热器重量是影响变 形的主要因素。B、改进措施分析改进措施一：在满足散热要求的前提下减小散热器的重量。改进措施二：由于最大的变形发生散热器的正下方， 为此在散 热器上与 4 个螺钉对应的位置增加刚性凸台， 厚度与原来的柔 性垫片相同，来增加局部的刚性以抵抗 变形。将刚性垫片的直 径取为螺钉直径的倍时发现 变形由偏位、 359g、 20N 预紧力 ) 变为。闻9虹柜庶曲应蔓分帝衙说C、单板底面高应力区分析图 9 显示了第一主应变的分布情况，最大应变 408 ， 因此在底 面布置陶瓷电容器件是安全的。考虑到螺钉附近 是高应力区且 可能会受到冲击应力作用， 因此建议在螺钉孔附近半径 10mm 区 域不布置陶瓷电容类的器件。
