一種熱振聯合載荷下bga焊點疲勞壽命預測方法
2023-05-06 15:51:16
一種熱振聯合載荷下bga焊點疲勞壽命預測方法
【專利摘要】一種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其步驟如下：1.採用有限元分析軟體建立單個BGA焊點的有限元模型；2.按照工作環境條件對BGA焊點進行熱循環仿真；3.根據熱循環仿真結果計算熱循環載荷下BGA焊點的損傷率；4.在不同的溫度條件下對BGA焊點進行隨機振動仿真；5.計算熱循環載荷影響下由於隨機振動載荷導致的BGA焊點損傷率；6.計算BGA焊點在熱循環載荷與隨機振動載荷下共同作用下總損傷率；7.計算得到BGA焊點在熱振聯合載荷下的預測壽命。本發明能夠提高實際生產中熱振聯合載荷下BGA焊點的疲勞壽命的預測準確度，具有一定的工程應用價值。
【專利說明】—種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種熱振聯合載荷下球柵陣列式(Ball Grid Array簡稱BGA)焊點疲勞壽命預測方法，通過計算BGA焊點在熱振聯合載荷下的損傷率，從而得出熱振聯合載荷下BGA焊點的疲勞壽命，屬於系統工程系統可靠性【技術領域】。
【背景技術】:
[0002]第四代封裝技術一表面貼裝技術(Surface Mount Technology簡稱SMT)是20世紀90年代的世界十大新技術之一，並很快廣泛的應用於集成電路，具有成本低廉、集成度高、重量輕、易於自動化等優點。但是也存在一些缺點:焊點的壽命較短。這是因為SMT封裝的電子元器件工作過程中會經常受到工作環境應力載荷，使得焊點受到反覆的應力應變作用，應力應變作用累積，最後導致焊點的疲勞。研究表明焊點的失效是封裝失效的主要原因，所以通常所說的電子封裝的可靠性研究，大多是針對焊點來討論的。
[0003]焊點最常見的破壞大多由於熱循環導致。此外，由於微電子元器件在封裝、運輸、存儲及使用過程中，不可避免的會受到各種形式的機械振動衝擊負載，使印製電路板或基板發生較大的動態彎曲變形，在焊點中引起交變應力。尤其是當焊點內存在動態應力和熱應力相互作用時，會加速焊點中的裂紋擴展進程，迅速導致焊點提前失效。工作在航空、航天和軍用環境中的電子產品，經常受到振動載荷與熱循環載荷的同時作用，但是，估算工作在熱和振動聯合載荷環境下的電子產品的壽命仍有相當大的難度。在實際的工作和科研中，工程人員們基本採用的是傳統的線性損傷累積的方法，不考慮熱循環載荷對振動產生的影響，分別計算熱和振動的損傷並進行累加，這種方法雖然簡單易行，但與實際情況不符。
[0004]鑑於此，本發明提出了一種熱振聯合載荷下的BGA焊點疲勞壽命預測方法，該方法放棄了傳統的線性損傷累積的方法，而採用一種漸進性損傷累積方法，計算出熱循環和隨機振動聯合作用下BGA焊點的損傷率，進而得出BGA焊點的疲勞壽命，能夠使實際生產中熱循環和隨機振動聯合載荷下BGA焊點的疲勞壽命的預測更加精確。
【發明內容】
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[0005]1、目的:本發明的目的是提供一種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，它是針對BGA焊點在熱循環和隨機振動聯合作用的情況下，通過計算BGA焊點的損傷率，從而得出BGA焊點的疲勞壽命。本發明旨在提高實際生產中熱振聯合載荷下BGA焊點的疲勞壽命的預測準確度，從而指導生產和設計，提高產品的可靠性。
[0006]2、技術方案:本發明是通過以下技術方案實現的。
[0007]首先引入幾個定義。
[0008]定義1:載荷:單位長度或面積的物體所受的承載力。
[0009]定義2:熱振聯合載荷:熱循環和隨機振動聯合作用下產生的載荷。
[0010]定義3:疲勞損傷:疲勞損傷定義為在交變載荷作用下受損物體的價值或用途減小了。其物理解釋通常將損傷概念與失去完整性相聯繫，如微觀裂紋的形成、物理性能的下降(強度、韌性退化等)等。
[0011]定義4:損傷率:損傷率為某一載荷作用下的單位時間與總的失效時間的比值，本發明中具體計算公式如下式
【權利要求】
1.一種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特徵在於:該方法的具體步驟如下: 步驟一:在有限元分析軟體中輸入所要研究的BGA焊點的初始條件參數，建立出BGA焊點的有限元模型； 步驟二:按照BGA焊點實際工作時的環境條件，在有限元分析軟體中通過設置熱循環的溫度範圍和每一個熱循環周期的時間，包括高低溫的保溫時間和升溫降溫時間來對BGA焊點的有限元模型進行熱循環仿真； 步驟三:熱循環仿真完成後，提取BGA焊點的有限元模型的塑性應變量，將其代入Coffin -Mason模型中，如公式(2)所示，得到BGA焊點在熱循環下的疲勞壽命，再利用公式
2.根據權利要求1所述的一種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特徵在於:步驟一中所述的「初始條件參數」，其包括焊球附加重力載荷、焊球表面張力、焊球密度、頂焊盤直徑和等效焊球直徑。
3.根據權利要求1所述的一種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特徵在於:步驟四中所述的「關鍵的溫度」，是指熱循環溫度範圍中的能夠保持一段時間的溫度；受溫度影響的參數包括BGA焊點材料的楊氏模量、熱膨脹係數和泊松比。
4.根據權利要求1所述的一種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特徵在於:步驟五中所述的「確定的溫度」，是指步驟四中選擇的幾個關鍵溫度之一。
5.根據權利要求1所述的一種熱振聯合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特徵在於:步驟五中所述的「疲勞損傷係數」，包括彈性模量E、應力強度係數Of、疲勞塑性係數ef和塑性應力σ。。
【文檔編號】G06F17/50GK103778292SQ201410031170
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】胡薇薇, 孟祥坤, 孫宇鋒, 趙廣燕, 牟浩文 申請人:北京航空航天大學