基于子結(jié)構(gòu)法的板級(jí)PoP跌落沖擊可靠性分析研究.ppt

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2013屆碩士學(xué)位論文畢業(yè)答辯報(bào)告,基于子結(jié)構(gòu)法的板級(jí)PoP跌落 沖擊可靠性分析研究,主要內(nèi)容,概述 論文重要理論基礎(chǔ) 基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析 考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)的板級(jí)PoP跌落分析 動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真 結(jié)論與展望 致謝,一、概述,1、課題來源： ----,一、概述,,2、論文研究背景及意義： PoP具有裝配前各封裝器件可以單獨(dú)測(cè)試，提高產(chǎn)品貼裝良品率等諸多優(yōu)勢(shì)，近幾年在便攜式電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。然而便攜式電子產(chǎn)品在使用過程中經(jīng)常會(huì)遭受到跌落沖擊載荷，使PoP焊點(diǎn)可靠性問題凸顯。 由于板級(jí)跌落測(cè)試試驗(yàn)具有成本高和周期長(zhǎng)的局限性，而有限元模擬方法可以彌補(bǔ)上述不足，因此有限元數(shù)值模擬技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。一般仿真分析時(shí)為了得到較為精確的計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分，而PoP結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其當(dāng)PCB上貼裝多個(gè)PoP時(shí)，往往致使總體求解規(guī)模極為龐大，計(jì)算非常耗時(shí)。,一、概述,子結(jié)構(gòu)技術(shù)具有降低計(jì)算規(guī)模、提高計(jì)算效率、保證一定精度的特點(diǎn)，對(duì)于求解計(jì)算規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)分析具有極大優(yōu)勢(shì)，因此有必要將子結(jié)構(gòu)方法應(yīng)用到PoP焊點(diǎn)跌落可靠性有限元分析中。,一、概述,3、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀： PoP（Package-on-Package，封裝上封裝）近幾年在便攜式電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。隨著PoP的廣泛使用，跌落可靠性問題凸顯。近年來，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已對(duì)對(duì)PoP跌落沖擊環(huán)境下焊點(diǎn)可靠性進(jìn)行了較多研究。目前對(duì)PoP跌落沖擊跌落測(cè)試實(shí)驗(yàn)來完成，如Amkor技術(shù)公司R＆D中心的Joon-Yeob Lee, Tae-Kyung Hwang等[19]通過對(duì)試件進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)和JEDEC推薦板級(jí)跌落實(shí)驗(yàn)，研究了不同底充膠對(duì)PoP散熱性能和跌落沖擊可靠性的影響。STMicroelectronics的Jing-en Luan[20]對(duì)PoP標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)跌落實(shí)驗(yàn)焊點(diǎn)失效模式進(jìn)行了分析。,關(guān)于板級(jí)PoP跌落可靠性數(shù)值分析還比較少，且數(shù)值模擬大多數(shù)是建立PCB中心貼裝一個(gè)PoP的有限元模型。而之所以只建立一個(gè)POP的情況。其原因是PoP結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊點(diǎn)達(dá)數(shù)百個(gè)，當(dāng)建立PCB貼裝多個(gè)PoP板級(jí)跌落有限元模型時(shí)，往往致使總體求解規(guī)模極為龐大，采用常規(guī)有限元法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，會(huì)給分析帶來很多困難，比如由于計(jì)算機(jī)的容量不足而引起太大的誤差和要花費(fèi)許多的機(jī)時(shí)等等。子結(jié)構(gòu)技術(shù)可以彌補(bǔ)上述不足，對(duì)于求解計(jì)算規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)分析具有極大優(yōu)勢(shì)。因此本文將子結(jié)構(gòu)方法應(yīng)用到板級(jí)PoP焊點(diǎn)跌落有限元分析中。,一、概述,4、主要研究?jī)?nèi)容： 1）基于JESD22-B111標(biāo)準(zhǔn)，建立了標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)PoP跌落分析三維有限元模型，對(duì)整個(gè)組件進(jìn)行了子結(jié)構(gòu)跌落仿真分析。 2）為了使仿真結(jié)果能更真實(shí)體現(xiàn)焊點(diǎn)遭受跌落沖擊的情況，采用子結(jié)構(gòu)法對(duì)考慮了焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)的板級(jí)PoP組件進(jìn)行跌落分析，并考察了焊點(diǎn)高度，焊點(diǎn)直徑等因素對(duì)PoP焊點(diǎn)跌落可靠性的影響。 3）對(duì)PoP動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行了仿真分析，探討了動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代替標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)跌落試驗(yàn)評(píng)價(jià)PoP可靠性的可行性。,二、論文重要理論基礎(chǔ),1、 跌落可靠性試驗(yàn) 1）標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)跌落實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)過程中，跌落臺(tái)在固定高度無初速度釋放，沿著導(dǎo)軌自由下落，直至碰撞到覆蓋著氈墊的剛性基座上，在此過程中，跌落臺(tái)產(chǎn)生加速度脈沖，此脈沖通過基準(zhǔn)平面和支撐支座傳遞到PCB組件和加速計(jì)上，PCB組件受到加速度脈沖的作用，發(fā)生彎曲變形。,圖2-1 標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)跌落沖擊測(cè)試設(shè)備,2）四點(diǎn)動(dòng)態(tài)彎曲實(shí)驗(yàn) JEDEC推薦跌落實(shí)驗(yàn)還處于試用階段，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)不利于新產(chǎn)品的開發(fā)，因此近年來尋找標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)跌落替代性試驗(yàn)來對(duì)比和評(píng)價(jià)焊點(diǎn)的沖擊性能。在諸多替代性實(shí)驗(yàn)中，相比而言，動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲方法實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單且可操作性強(qiáng)，焊點(diǎn)的力學(xué)行為也最接近JEDEC推薦的測(cè)試方法。 動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置示意圖如圖2-2所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括跌落重物、加載支架、PCB組件、封裝體、橡膠、支撐支架和固定支座等。,二、論文重要理論基礎(chǔ),二、論文重要理論基礎(chǔ),2、子結(jié)構(gòu)方法理論 子結(jié)構(gòu)技術(shù)是有限元法的一種高級(jí)分析技術(shù)，子結(jié)構(gòu)法就是將一組單元用矩陣凝聚為一個(gè)單元的過程。其基本思想是，遵循某些原則要求，將一個(gè)大型結(jié)構(gòu)分解成一些規(guī)模較小的部分——子結(jié)構(gòu)，然后對(duì)每個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行降階。再將降階后的子結(jié)構(gòu)按照邊界連接條件組裝成原來的大結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降低問題運(yùn)算規(guī)模，節(jié)省計(jì)算時(shí)間的作用，子結(jié)構(gòu)法為分析這樣的大型問題提供可能。,子結(jié)構(gòu)法在ANSYS中的分析步驟： 1）生成部分：將普通的有限元單元凝聚為一個(gè)超單元的過程。凝聚是通過定義一組主自由度來實(shí)現(xiàn)的。 2）使用部分：將超單元與非超單元部分組集進(jìn)行分析的過程。 3）擴(kuò)展部分：從使用部分的凝聚解計(jì)算出整個(gè)超單元的完整解（即超單元部分內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)的解）。 整個(gè)子結(jié)構(gòu)分析過程的數(shù)據(jù)流程和所用的文件如圖2-3所示。,二、論文重要理論基礎(chǔ),,圖2-3 子結(jié)構(gòu)分析過程的數(shù)據(jù)流程,二、論文重要理論基礎(chǔ),三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,1、有限元建模仿真： 標(biāo)準(zhǔn)跌落測(cè)試實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)U2,U3,U8位置PoP處于危險(xiǎn)區(qū)域[23]，因此論文考察這幾個(gè)位置的PoP焊點(diǎn)可靠性。基于JESD22-B111標(biāo)準(zhǔn)，建立標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)PoP跌落實(shí)驗(yàn)有限元模型。PoP在PCB上的布局如圖3-1所示。 論文選用自頂向下的建模方法。子結(jié)構(gòu)法板級(jí)PoP有限元模型如圖3-2所示。其中焊點(diǎn)簡(jiǎn)化為四方體，仿真結(jié)果雖然不能數(shù)值精確，但是獲得的跌落過程焊點(diǎn)應(yīng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)跟精細(xì)模型應(yīng)力變化趨勢(shì)是一致的。因此焊球簡(jiǎn)化合理。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,圖3-2 有限元模型,圖3-1 PoP在PCB上布局,,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,2、子結(jié)構(gòu)法板級(jí)PoP跌落分析過程 子結(jié)構(gòu)法板級(jí)PoP跌落全局分析過程如圖3-3所示。首先建立板級(jí)PoP跌落有限元模型，這一部分同常規(guī)有限元法相同，然后逐個(gè)對(duì)U13，U14，U8分別進(jìn)行跌落仿真分析，依次得到PCB上各位置PoP焊點(diǎn)跌落動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即要得到整個(gè)板級(jí)PoP跌落動(dòng)態(tài)響應(yīng)需要進(jìn)行三次子結(jié)構(gòu)分析。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,圖3-3 板級(jí)PoP組件跌落分析子結(jié)構(gòu)計(jì)算過程,以U8子結(jié)構(gòu)分析分析為例，說明子結(jié)構(gòu)法板級(jí)PoP跌落沖擊分析在ANSYS中實(shí)現(xiàn)過程，具體的步驟如下： 1、生成部分：U8以外所有單元作為子結(jié)構(gòu)用于生成超單元。2、使用部分：將非超單元部分與超單元部分組合進(jìn)行跌落分析求解，使用部分模型如圖3-4所示。3、擴(kuò)展部分：從使用部分的超單元V8的凝聚解中計(jì)算出整個(gè)超單元完整解。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,圖3-4 U8子結(jié)構(gòu)分析的使用部分計(jì)算模型,超單元,,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,3、仿真結(jié)果及分析： 1）PCB動(dòng)態(tài)跌落特性研究 整個(gè)PCB的沖擊過程分為兩個(gè)階段，第一階段為 PCB 承受半正弦波沖擊階段，第二階段為沖擊載荷消失的自由振動(dòng)階段。,,對(duì)PCB最大彎曲變形時(shí)刻擴(kuò)展，查看整個(gè)PCB最大彎曲形變，如圖3-5a所示。對(duì)應(yīng)的圖3-5b是牛曉燕[42]仿真結(jié)果。由圖可知，本文仿真結(jié)果和牛曉燕的研究成果具有良好的一致性，從一方面驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,（a) 本論文仿真結(jié)果,（b) 牛曉燕仿真結(jié)果,圖3-5 PCB最大彎曲變形圖,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,2）焊點(diǎn)應(yīng)力分析： 大量的研究表明[47]，板級(jí)組件的跌落沖擊試驗(yàn)中，焊點(diǎn)的失效模式主要以剝離為主，應(yīng)以最大剝離應(yīng)力作為跌落沖擊時(shí)焊點(diǎn)的失效準(zhǔn)則，所以，本文應(yīng)用剝離應(yīng)力即垂直于PCB 方向上的法向應(yīng)力SZ來評(píng)價(jià)焊點(diǎn)在跌落沖擊中的可靠性。 對(duì)U8進(jìn)行子結(jié)構(gòu)跌落仿真分析，得到U8內(nèi)部所以節(jié)點(diǎn)解。圖3-6，3-7分別為U8處PoP上下層焊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力分布云圖。,有圖可知，頂層封裝和底層封裝最大應(yīng)力都位于封裝體對(duì)角線上距離封裝體中心最遠(yuǎn)位置（DNP）的焊點(diǎn)上。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,圖3-6底層焊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力分布,圖3-7頂層焊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力分布,如圖3-8所示底層和頂層應(yīng)力最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)跌落沖擊過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力曲線。從圖可以看出，焊點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化而變化，底層封裝焊點(diǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)大于頂層封裝焊點(diǎn)最大應(yīng)力，說明U8底層DNP焊點(diǎn)為整個(gè)PoP關(guān)鍵焊點(diǎn)。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,圖3-8 跌落沖擊過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力曲線,。圖3-9和圖3-10分別給出了U14和U13底層焊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻焊點(diǎn)分布云圖，由圖可以看出，無論是U13還是U14，最外層陣列角落焊點(diǎn)都遭受跌落沖擊載荷過程中較大的應(yīng)力。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,圖3-9 U14焊點(diǎn)最大應(yīng)力云圖,圖3-10 U13焊點(diǎn)最大應(yīng)力云圖,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,比較U8、U14、U13的跌落沖擊受力情況可知，U8焊點(diǎn)最大應(yīng)力為382MPa，U13焊點(diǎn)最大應(yīng)力為318MPa，U14焊點(diǎn)最大應(yīng)力336MPa，并且U8應(yīng)力峰值和PCB板的變形峰值在時(shí)間上具有同步性，綜合以上仿真結(jié)果，因此得出結(jié)論：在跌落沖擊中，PCB上最容易引起元件失效的位置是PCB中心變形最大的區(qū)域，U8底層DNP焊點(diǎn)是整個(gè)PCB關(guān)鍵焊點(diǎn)，該仿真結(jié)果與DongKil Shin[23]所做實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。,3）仿真結(jié)果比較 為進(jìn)一步驗(yàn)證子結(jié)構(gòu)跌落仿真分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，比較常規(guī)有限元法與子結(jié)構(gòu)方法仿真結(jié)果。以U1關(guān)鍵焊點(diǎn)最大應(yīng)力為比較對(duì)象。 表3-1給出了U8子結(jié)構(gòu)方法與整體有限元方法仿真結(jié)果一些基本信息。,三、基于子結(jié)構(gòu)法整體模型跌落分析,表3-1子結(jié)構(gòu)方法與常規(guī)有限元方法仿真結(jié)果對(duì)比,1、考慮應(yīng)變率的本構(gòu)模型 ANSYS中可采用二種材料選項(xiàng)，即在Perzyna模型和Peirce模型中引入應(yīng)變率效應(yīng)，來模擬材料的時(shí)間相關(guān)響應(yīng)。論文焊點(diǎn)材料采用Peirce本構(gòu)方程材料模型，以描述焊點(diǎn)在高沖擊載荷下的應(yīng)變率特性。Peirce本構(gòu)方程其基本形式為： 其中， 為屈服應(yīng)力， 為等效塑性應(yīng)變率， 應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)，r為粘塑性材料參數(shù)。,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,2、有限元模型 在跌落沖擊中，PCB中心U8所受應(yīng)力最大，U8焊點(diǎn)可靠性是整個(gè)PCB可靠性的決定性因素。因此以下將以貼裝在PCB中心的PoP為研究對(duì)象，研究考慮了焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)的PoP跌落沖擊性能。出于運(yùn)算規(guī)模的考慮，對(duì)U8處焊點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)化，以對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行徹底研究，其他區(qū)域的封裝體視作等效質(zhì)量的一塊實(shí)體[50]。,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,板級(jí)PoP組件跌落有限元模型及局部模型如圖4-1所示。,圖4-1 有限元模型,,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,本部分子結(jié)構(gòu)計(jì)算過程如前所述子結(jié)構(gòu)計(jì)算過程相同，在生成部分將U8以外部分生成超單元，使用部分組裝U8內(nèi)部單元和超單元進(jìn)行求解。使用部分子結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4-2所示。,圖4-2 子結(jié)構(gòu)使用部分計(jì)算模型,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,3、仿真結(jié)果分析 圖4-3所示為焊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力分布云圖，同前面分析結(jié)果一樣，當(dāng)考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)時(shí)，其最大應(yīng)力位于PoP底層DNP焊點(diǎn)（距離器件中心最遠(yuǎn)焊點(diǎn)）上。,圖4-3 焊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力分布云,對(duì)單個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行分析，取最容易失效焊點(diǎn)為分析對(duì)象，比較Peirce材料本構(gòu)方程和線彈性材料模型焊點(diǎn)在跌落沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖4-4給出了兩種材料模型最大應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線。,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,圖4-4 兩種材料模型最大應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線,由圖可知，在高速跌落沖擊載荷下，是否計(jì)入應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響顯著，采用Peirce模型和采用線彈性材料模型得到的焊點(diǎn)最大剝離應(yīng)力明顯不同。當(dāng)考慮應(yīng)變率效應(yīng)時(shí)，焊球的應(yīng)力從605MPa 減小到295MPa。因此，在數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)變率效應(yīng)是不能忽略的，當(dāng)焊點(diǎn)采用應(yīng)變率效應(yīng)材料時(shí)，焊點(diǎn)應(yīng)力低于采用焊點(diǎn)彈性材料應(yīng)力，說明按線彈性模型模擬焊料的力學(xué)性能時(shí)，將使仿真過程的焊點(diǎn)應(yīng)力值高于實(shí)際跌落時(shí)焊點(diǎn)應(yīng)力值。,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,如圖4-５所示為PoP底層和頂層DNP焊點(diǎn)應(yīng)力分布云圖，以及與之對(duì)應(yīng)的Jing-en Luan[20]所做PoP跌落測(cè)試試驗(yàn)焊點(diǎn)失效模式圖。,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,圖4-5 焊點(diǎn)應(yīng)力分布云圖及 對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)焊點(diǎn)失效模式,由圖可知， PoP焊點(diǎn)應(yīng)力集中位置與焊點(diǎn)失效發(fā)生位置相同，底部焊點(diǎn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在PCB/焊點(diǎn)一側(cè)，焊點(diǎn)/封裝一側(cè)應(yīng)力相對(duì)??；頂層焊點(diǎn)兩端界面都出現(xiàn)應(yīng)力集中，其中靠近上層封裝基板處應(yīng)力較大。,4、PoP焊點(diǎn)跌落性能影響因素分析 對(duì)不同的元器件設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)時(shí)，焊球高度、焊球直徑、焊盤尺寸等是不相同的，即使在同批次產(chǎn)品中，受焊點(diǎn)均勻度、錫膏印刷工藝以及熱應(yīng)力等各種因素影響，焊球直徑和焊球高度也不盡相同。因此，研究以上參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)跌落性能的影響很有必要。由于底層焊點(diǎn)所受應(yīng)力要遠(yuǎn)大于頂層焊點(diǎn)所受應(yīng)力，且最危險(xiǎn)焊點(diǎn)位置位于底層焊點(diǎn)。因而各因素對(duì)PoP焊點(diǎn)跌落沖擊性能的影響，以底層焊點(diǎn)最大應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)。,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,1）PCB厚度的影響 圖4-6為不同厚度PCB對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵焊點(diǎn)最大應(yīng)力曲線。由圖可知，焊點(diǎn)最大應(yīng)力隨著PCB厚度的增加而減小。分析認(rèn)為，這是因?yàn)镻CB厚度的增加提高了PCB的剛度，使其在振動(dòng)過程中抗變形能力增加。,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,圖4-6 不同厚度PCB對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力響應(yīng)曲線,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,2）焊點(diǎn)直徑與高度的影響 圖4-7所示為跌落沖擊環(huán)境下，焊點(diǎn)直徑與最大應(yīng)力關(guān)系曲線。分析過程保持焊點(diǎn)陣列、焊點(diǎn)中心距、加載條件等其他條件不變。,圖4-7 直徑與焊點(diǎn)最大應(yīng)力關(guān)系曲線,,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,圖4-8所示為焊點(diǎn)應(yīng)力隨焊點(diǎn)高度變化的關(guān)系曲線圖，仿真過程中，焊點(diǎn)直徑保持0.35mm不變。,圖4-8 焊點(diǎn)高度與最大應(yīng)力關(guān)系曲線,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,3）頂層DNP焊點(diǎn)影響分析 底層和頂層封裝體之間應(yīng)力通過焊點(diǎn)傳遞，頂層焊點(diǎn)最大應(yīng)力位于DNP焊點(diǎn)上，因此可以通過移除頂層DNP焊點(diǎn)，來分析研究頂層DNP焊球?qū)更c(diǎn)跌落抗沖擊性能的影響。當(dāng)移除頂層DNP焊球后，頂層焊點(diǎn)與底層焊點(diǎn)最大應(yīng)力分布云圖如圖4-9所示。,圖4-9上層焊點(diǎn)與底層焊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻焊點(diǎn)應(yīng)力分布云圖,四、考慮焊點(diǎn)應(yīng)變率效應(yīng)板級(jí)PoP跌落分析,由圖看出，整個(gè)PoP焊點(diǎn)最大應(yīng)力仍然處于底層封裝外側(cè)焊點(diǎn)拐角處，并且靠近PCB一側(cè)，頂層封裝焊點(diǎn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在，與拐角焊點(diǎn)相鄰焊點(diǎn)上。底層焊點(diǎn)最大應(yīng)力為271MPa，減少了16%，上層焊球最大應(yīng)力為195MPa，增大了30%。雖然頂層焊點(diǎn)應(yīng)力增大了，底層焊點(diǎn)應(yīng)力仍然大于頂層焊點(diǎn)應(yīng)力，底層焊點(diǎn)拐角處焊點(diǎn)仍然是整個(gè)PoP關(guān)鍵焊點(diǎn)，因而刪除頂層封裝關(guān)鍵焊點(diǎn)可改善PoP抗跌落沖擊整體性能。該設(shè)想只是考慮其對(duì)跌落過程中焊點(diǎn)應(yīng)力大小的影響，其正確性有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。,1、仿真模型 動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲整體與局部有限元模型如圖5-1所示，整個(gè)模型包括跌落重物、加載支架、PCB組件、封裝體、橡膠、支撐支架和固定支座等。出于計(jì)算規(guī)模與時(shí)間的考慮，仿真模型中封裝焊點(diǎn)陣列用焊層代替。,五、動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真,圖5-1 四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)有限元模型,,五、動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真,3、仿真結(jié)果分析 1）PCB動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析 PCB的彎曲變形對(duì)于評(píng)估焊點(diǎn)可靠性是非常重要的。有必要對(duì)PCB動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。圖5-2是四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真PCB最大彎曲變形圖。,圖5-2 PCB最大彎曲變形,,五、動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真,圖5-3是PCB撓度時(shí)間歷程曲線圖。由圖可知，在動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，PCB中心位置的撓度最大，是最容易引起元器件失效的位置，在承受鋼球跌落沖擊過程中，呈上下彎曲變形，當(dāng)撓度在3.5ms左右時(shí)刻達(dá)到最大值后其振幅逐漸減小，這一結(jié)構(gòu)與金玲[26]研究成果相符合，驗(yàn)證了模型的正確性。,圖5-3 PCB撓度曲線,五、動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真,2）焊層應(yīng)力分析 圖5-4為動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中，PoP底層和頂層封裝應(yīng)力最大時(shí)刻的焊層剝離應(yīng)力云圖。圖5-5為應(yīng)力最大時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)跌落測(cè)試試驗(yàn)焊層剝離應(yīng)力云圖。,五、動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真,從圖5-4中可以得出，PoP動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，底層封裝焊層最大剝離應(yīng)力大于頂層封裝應(yīng)力，底層封裝焊層最大應(yīng)力位于距離封裝體中心最遠(yuǎn)端靠近PCB一側(cè)，頂層封裝焊層最大應(yīng)力位于距離封裝體中心最遠(yuǎn)端靠近頂層基板一側(cè)，底層焊層最大應(yīng)力是整個(gè)PCB組件最大應(yīng)力。 比較圖5-4與5-5，從圖中可以得出，兩種試驗(yàn)最大剝離應(yīng)力都位于底層焊層距離封裝體中心最遠(yuǎn)端靠近PCB一側(cè)位置，底層焊層和頂層焊層最大應(yīng)力出現(xiàn)位置相同。,五、動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真,另外考慮到BGA焊球在跌落試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的失效模式完全一致，并且其失效機(jī)理也完全相同，論文初步推論：對(duì)于初步評(píng)價(jià)PoP焊點(diǎn)跌落可靠性，動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)不失為代替JEDEC 推薦的測(cè)試方法的簡(jiǎn)單快捷的方法。 由于仿真過程中，將焊點(diǎn)處理成焊層，只能得到焊點(diǎn)應(yīng)力大致分布，除了角落焊點(diǎn)外其他焊點(diǎn)應(yīng)力分布情況不清楚，且仿真結(jié)果沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此該結(jié)論還有待進(jìn)一步求證。,六、總結(jié)與展望,1、主要研究成果與結(jié)論： 1) 將子結(jié)構(gòu)方法運(yùn)用到POP跌落分析中，證明了子結(jié)構(gòu)法在跌落分析中的可行性和合理性，為開展焊點(diǎn)跌落可靠性研究找到了一條便利而實(shí)用的途徑。 2）建立了標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)PoP跌落分析三維有限元模型，得到了PCB板上不同位置的封裝的受力情況，并確定了關(guān)鍵焊點(diǎn)的位置。 3) 仿真分析時(shí)考慮了焊點(diǎn)的應(yīng)變率效應(yīng)，能更真實(shí)的反映焊點(diǎn)受力情況。,六、總結(jié)與展望,4）考察了焊點(diǎn)高度，焊點(diǎn)直徑等因素對(duì)PoP焊點(diǎn)跌落可靠性的影響。 5）探討了動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代替標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)跌落試驗(yàn)評(píng)價(jià)PoP可靠性的可行性。發(fā)現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)PCB動(dòng)態(tài)響應(yīng)有相似過程，焊點(diǎn)最大應(yīng)力出現(xiàn)位置相同。初步驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)可以作為評(píng)價(jià)PoP焊點(diǎn)跌落可靠性可靠性的實(shí)驗(yàn)。,六、總結(jié)與展望,2、展望 1）可以研究基于塑性應(yīng)變的焊點(diǎn)跌落失效預(yù)測(cè)方法，建立完整的焊點(diǎn)跌落壽命的預(yù)測(cè)評(píng)估體系。 2）設(shè)計(jì)PoP跌落動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)代替JEDEC推薦測(cè)試實(shí)驗(yàn)的可行性。 3）焊點(diǎn)在跌落沖擊失效前，要經(jīng)歷熱周期載荷，因此可以研究在熱周期和跌落沖擊順序載荷下焊點(diǎn)的可靠性。,創(chuàng)新點(diǎn)： 1、 將子結(jié)構(gòu)方法應(yīng)用到板級(jí)PoP跌落分析中，降低了板級(jí)PoP跌落分析運(yùn)算規(guī)模，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間的作用，為開展焊點(diǎn)跌落可靠性研究找到了一條便利而實(shí)用的途徑。 研究成果： 1、 第一作者在2012國(guó)際封裝會(huì)議Icept2011上發(fā)表論文一篇。(EI收錄號(hào):20114714539933),七、致謝,,感謝大家 敬請(qǐng)各位老師 批評(píng)指正,