PCB结构振动特性的实验研究

PCB结构振动特性的实验研究

摘要：选用带有BGA封装的PCB结构，进行0~1000Hz内的的动态振动测试，确定结构的固有频率；将实验结果和有限元模拟相结合，采用反演分析方法求解了PCB板的弹性模量，并通过实验和模拟的验证了计算结果。

关键词：PCB结构，BGA，振动特性，固有频率

引言

近年来，随着电子工业得到了迅猛发展，与之密切相关的电子封装业的重要性越来越突出，各种先进的封装技术不断涌现。球栅阵列BGA（Ball Grid Array）封装技术是近年来国内外迅速发展起来的一种新型封装技术，它采用一种全新的设计思维方式，有效消除了精细间距器件中由于引线而引起的共平面、翘曲的问题，成为20世纪发展最快、应用最广的封装技术之一[1,2]。

早在二十世纪六、七十年代，IBM和Bell实验室进行了大量疲劳实验，研究表明电子工业中焊点失效，焊点低周热疲劳一直成为国内外学者的主要研究对象[3]。但是当电子设备处于严重的振动、冲击环境中时，电子设备的可靠性将受到很大的影响，动态载荷与热载荷相互作用，大大降低封装结构的可靠性。近年来，随着封装结构在动载荷（振动、冲击等）下的可靠性问题日益突出，中外不少学者进行了相应的研究。Intel公司的Wong S W等[4]提出了通过测试PBGA 基板的应变来推断焊点应力应变的方法，证明了在振动条件下焊点与基板的应变的线性关系，并给出了实验方法。Pang H L等[5]对倒装芯片在固有频率处施加不同量级的正弦激励，给出了振动特性的测试方法。Chen Y S等[6]用有限元模拟和振动测试相结合的方法，得出了较好的结果。Wang等[7]对封装结构振动载荷下的失效问题进行了实验研究，采用多种方法观测了焊点中振动裂纹的萌生、扩展及失效的过程，分析了焊点高周疲劳的原因。这些研究都为焊点振动条件下的使用提供了有力的支持。但由于实际使用中的PCB结构都不尽相同，这些研究都具有一定的特定性。

本文选用带有BGA结构的PCB主控板，对其进行了0-1000Hz范围内的振动动态实验，测得该结构的固有频率；与有限元模拟相结合，采用反演分析确定了PCB板的弹性模量，并通过配重试件的振动实验和模拟分析验证了结果的可靠性。

二、印刷电路板(PCB)结构的振动实验

在本文的振动测试实验中所使用的PCB结构主要有三个部分：印刷电路板、芯片和连接芯片与电路板的BGA焊球列阵，该BGA焊球阵列为16×16正方形阵列。实验所用振动设备主要有STI D-100-1振动台、YE7600动态应变仪、SD1403传感器等；两种加载试件：无配重的试件1和自由端添加51.6g配重的试件2。

2.2 PCB结构动态特性的测定

2.2.1 实验方法

首先将PCB结构指定位置上粘贴好应变片，采用半桥单臂温度补偿接法将电桥接好，把PCB结构安装到振动台的夹具上，安装方式为：一边固支，夹装时将PCB靠近芯片一侧沿纵向伸入8mm，其它三边自由。其次，对实验设备进行调试，设置三个测试通道，与动态应变仪连接，并测试零点漂移。

第三，对结构进行5-1000Hz的扫频测试，存储采集到的数据。

最后，分析采集到的数据，计算得出每一激振频率下的最大应变，并且绘制出频率响应特性曲线，即幅频曲线，确定结构的固有频率。

2.2.2 实验结果

图1给出了两种试件的PCB结构频率响应特性曲线。

(a) 试件1(b) 试件2

图1 PCB结构频率响应特性曲线

从图中可以得到PCB结构板的前三阶固有频率依次为110Hz、335Hz、625Hz （试件1）和46 Hz、230 Hz、610 Hz（试件2）。

三、PCB结构的振动的数值模拟

3.1 PCB板的等效弹性模量

将基于ABAQUS软件的模态数值分析与PCB板的动态振动实验结果相结合，通过反演推算，求得各向异性、多层复合的PCB板的等效弹性模量。

表1给出了PCB板的弹性模量E=17.8GPa时，PCB结构固有频率模拟结果与实验值的对照情况。从以上结果可知，采用反演法得到的PCB等效弹性模量是可靠的。

表1PCB结构的固有频率

四小结

针对带有BGA封装结构的PCB板进行了的动态振动测试和数值模拟，得到如下结论：

带有BGA封装的PCB主控板，通过5-1000Hz内的幅频特性曲线，实验测得的前三阶固有频率依次为110Hz、335Hz、625Hz（无配重）和46 Hz、230 Hz、610 Hz（有配重）。

采用反演算分析方法，将PCB结构的振动实验结果和有限元数值模拟相结合，确定的层合PCB板的等效弹性模量为17.8GPa。

参考文献

童志义. 高密度封装技术现状及发展趋势[J]. 电子工业专用设备，2000，29（2）：1-9.

张文典. 实用表面组装技术[M]. 北京：电子工业出版社，2006，2-5.

顾永莲. 球栅阵列封装焊点的失效分析及热应力模拟[D]，成都：电子科技大学，2005.

4. Wong S F, Malaktap P. Vibration testing and analysis of ball grid array package solder joints [C], IEEE 57th Electronic Components and Technology Conf., Reno, Nevada, USA, 2007: 373~380.

5.Yang Q J, Pang H L, Wang Z P, Lim G H, Yap F F, Lin R M. Vibration reliability characterization of PBGA assemblies [J], Microelectronic Reliability 2000, (40): 1097~1107.

6．Chen Y S, Wang C S, Yang Y J. Combining vibration test with finite element analysis for the fatigue life estimation of PBGA components [J], Microelectronics Reliability, 2008, 48: 638~644.

7．Hongfang Wang, Mei Zhao, Qiang Guo. Vibration fatigue experiments of SMT solder joint [J].Microelectronics Reliability 44(2004) 1143-1156