BGA热疲劳仿真报告
热分析实验报告仿真(3篇)
第1篇一、实验目的本实验旨在通过仿真软件对某电子设备进行热分析，了解设备在正常工作状态下的温度分布，分析设备的散热性能，为设备的结构优化和热设计提供理论依据。
二、实验背景随着电子技术的不断发展，电子设备的功能和复杂程度不断提高，集成度也越来越高。
然而，电子设备单位体积的功耗不断增大，导致设备温度迅速上升，从而引起设备故障。
因此，对电子设备进行热分析，优化散热设计，对于提高设备的可靠性和使用寿命具有重要意义。
三、实验方法1. 选择仿真软件：本实验选用Ansys Fluent软件进行热分析。
2. 建立模型：根据实际设备结构，在CAD软件中建立三维模型，并将其导入Ansys Fluent中进行网格划分。
3. 定义材料属性：设置模型的材料属性，包括热导率、比热容、密度等。
4. 设置边界条件：根据设备的工作环境，设置边界条件，如环境温度、热流密度等。
5. 定义求解器：选择适当的求解器，如稳态热传导、瞬态热传导等。
6. 运行仿真：启动仿真计算，获取设备在正常工作状态下的温度分布。
7. 分析结果：对仿真结果进行分析，评估设备的散热性能。
四、实验结果与分析1. 温度分布通过仿真计算，得到设备在正常工作状态下的温度分布如图1所示。
由图可知，设备的热量主要集中在散热器附近，温度最高点约为80℃，远低于设备的最高工作温度。
2. 散热性能从仿真结果可以看出，设备散热性能良好，主要表现在以下几个方面：（1）温度分布均匀：设备内部温度分布较为均匀，没有出现明显的热点区域。
（2）散热器效果显著：散热器可以有效降低设备温度，提高设备散热性能。
（3）环境温度影响较小：在环境温度较高的情况下，设备温度升高幅度较小。
3. 优化建议根据仿真结果，提出以下优化建议：（1）优化散热器设计：考虑采用更大面积的散热器，提高散热效率。
（2）改进结构设计：优化设备内部结构，提高散热通道的流通性。
（3）采用新型散热材料：研究新型散热材料，降低设备的热阻。
BGA不良分析、改善报告
8
7
6
5 Percentage of Voids
4
3
2
1
0 OSP
Pad Surface Finish
Tin
ENIG
Silver
HASL
OSP板储存、使用注意事项
一、供应及储存条件 1. 供应商在完成OSP制程后, 在受管控的温湿度环境下,
应在12H内完成真空包装. 在不受管控的温湿度环境下, 则必须在4H内完成真空包装. 2.来料外包装箱的识别卡料号后面要有”(OSP)”字样。OSP PCB 来料应采用真空包装. 3.仓库记录进料日期, 按先进先出原则发料. 4.PCB拆封前的储存环境为:温度16 ～ 40 ℃、相对湿度： 10 ～ 65％。 5.符合上述储存条件并未开封的真空包装储存时间最长为 3个月，如超超3个月则必须由IQC协助送回PCB板供应 商重工OSP制程。
OSP工艺焊盘氧化不良图片
ENIG板储存、使用注意事项
ENIG PCB抗氧化能力强，所以储存环境 要求不是很严格。一般储存要求，温度： 20~30℃，湿度：40~60%RH，拆包前 可以保存一年，拆包后可以保存3天。
ENIG工艺PCB出现焊接不良，主要是PCB 板供应商的制程出现问题。如：Ni层涂 覆不均匀，Au层表面裂纹导致焊接不良。
3、TBGA（TAPE BGA）带载BGA 其优点是： ①尽管在芯片连接中局部存在应力，当总体上同环氧
板的热匹配较好。 ②贴装是可以通过封装体边缘对准。 ③是最为经济的封装形式。 其缺点是： ①对湿气敏感。 ②对热敏感。 ③不同材料的多元回合对可靠性产生不利的影响。
2、CBGA（CERAMIC BGA）陶瓷封装BGA 其优点是： ①封装组件的可靠性高。 ②共面性好，焊点形成容易，但焊点不平行度交差。 ③对湿气不敏感。 ④封装密度高。 其缺点是： ①由于热膨胀系数不同，和环氧板的热匹配差，焊点
BGA失效分析报告
随着电子设备向高集成度、高可靠性 方向发展，BGA封装广泛应用于各类 电子产品中。然而，BGA失效问题逐 渐凸显，对产品性能和可靠性产生严 重影响。
BGA封装介绍
01
BGA封装特点
高密度、低电感、低热阻、易于 实现高速信号传输等。
02
BGA封装工艺流程
03
BGA失效类型
芯片粘接、引脚焊接、塑封固化 等。
01
03
一款笔记本电脑在使用过程中频繁出现蓝屏和死机现 象，拆解后发现芯片与BGA基板间的粘接材料老化，
芯片脱落导致电路故障。
04
一款平板电脑在使用过程中突然发生屏幕破裂，经检 查发现BGA封装体存在制造缺陷，无法承受机械冲击 。
失效影响分析
性能下降
BGA失效会导致电路性能下降，引发 各种故障现象，如死机、重启、数据 丢失等。
可靠性。
04 BGA失效预防和改进措施
优化封装设计
优化封装设计是预防BGA失效的重要 措施之一。
通过改进BGA的封装设计，可以减少 潜在的缺陷和问题，提高其可靠性和 稳定性。这包括优化焊球间距、改进 焊球材料和减小焊球直径等措施。
提升制造工艺水平
提升制造工艺水平是降低BGA失效风险的关键。
通过采用先进的制造技术和设备，提高BGA的制造精度和一致性，可以显著降低制造过程中可能出现的缺陷和问题。这包括 采用高精度的焊接设备、优化焊接工艺参数和加强过程控制等措施。
BGA失效进行分析和预测，为预防性维护提供支持。
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安全风险
对于关键性电子设备，BGA失效可能 引发严重安全问题，如设备损坏、数 据泄露或人身伤害等。
生产成本
极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测
第38卷第10期焊接学报8938 N o. 10 2 0 17年 10 月TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION O ctober 2017极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测田茹玉\王晨曦\田艳红\赵利有2(1.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001;2.上海航空航天技术研究院，上海201109)摘要：深空探测的环境多为极低温大温变环境，研究电子器件在此极限条件下的可靠性具有重要意义.采用多 线性等向强化（M I SO)本构模型描述S n63Pb37 P S n96. 5Ag3.0C u0. 5 (SAC305)焊料的力学本构行为，分析陶瓷球 栅阵列（ce ramic b all g rid array，CBGA)焊点阵列在极限温度（-180 ~+150 j)热冲击载荷下的应力应变分布情 况，最后根据基于能量的D a r e u x疲劳模型预测CBGA焊点的热冲击疲劳寿命.结果表明，局部热失配导致应力最 大点出现在边角焊点陶瓷载体一侧的焊盘与钎料界面，极限温度热冲击载荷下焊点的疲劳寿命远低于标准温度循 环载荷下的疲劳寿命.关键词：陶瓷球栅阵列；极限温度；热冲击；疲劳寿命；有限元中图分类号：TG405 文献标识码：A doi：10.12073/j.hixb.201512080050序 言航天技术水平是国家综合实力的重要体现，月球、火星等深空探测是近年来全球航天技术的热点 领域.电子设备是深空探测器的重要组成部分.焊 点在电子系统中起着机械支撑、电气连接和信号通 道的作用.大量研究和应用实例表明，互连焊点是 电子系统中最脆弱的部位，电子系统的失效多由互 连焊点的失效引起，其中，温度因可以改变焊点内应 力和微观组织，是焊点失效最重要的影响因素之一.深空探测环境多为极低温大温变环境[1]，例如 月球（-180 S+150 j)，火星（-140 ~+20j)，木卫二（-188 143 °C)等.为保证电子产品在极端环境中的可靠运行，目前一般都采用热保护方 式来维持电子器件的环境温度.但是一些舱外设备，如太阳翼上电池片互连焊点，由于难以采用热控 措施，将直接暴露在极端温度环境下.极低温、大温 变的工作环境中，电子产品封装材料之间的热膨胀 系数不匹配，将在焊点内部产生热应力，从而导致焊 点中裂纹的萌生和扩展，最终失效.因此，有必要对 典型器件焊点在极低温、大温变条件下的可靠性进 行研究.目前对于电子器件可靠性的研究主要集中在 -40 ~+125j，-55 ~+125j及 0 ~+150j等 标准温度范围之内[2-3].从2000年开始，N A S A以收稿日期：2015 -12-08基金项目：上海航天科技创新基金资助项目（SAST201465)及欧盟宇航局等机构与一些高校以及研究所采用的 加速寿命试验的方法就-185 ~+125 j极低温大 温变环境下B G A，QFP，C G A等典型器件焊点可靠性 开展了一系列研究工作[4_5].Ramesh a m等人[4]研 究了 CCGA717 器件 Sn63Pb37 焊点在-185 ~+12 j极限温度热循环条件下的可靠性，发现经历664 周循环时，63.2%的菊花链发生失效.采用试验手段 研究焊点可靠性需要耗费大量的人力物力，而数值模 拟能有效分析焊点的应力应变，短时间内预测电子器 件的寿命，被广泛应用于焊点热疲劳行为的研究.文中借助有限元分析软件，通过采用多线性等 向强化(MISO)本构模型描述焊点的力学本构行为，研究典型C B G A焊点在极限温度（-180 ~+150 j)热冲击条件下的应力应变分布，并基于Darveaux 能量模型预测焊点的疲劳寿命.1有限元模型的建立!1C B G A有限元模型及网格划分选用T opline公司标准封装尺寸的16 X16封装 阵列的C B G A作为模拟对象.为了忽略器件本身内 部结构对文中计算结果的影响，将器件模型简化为 陶瓷载体、焊球阵列、铜焊盘以及P C B基板五层结 构.器件结构尺寸见表1.为简化问题的求解，在建 立C B G A模型时做出以下假设：（1)整个结构中除 了钎料定义为多线性等向强化材料，其它材料均设 定为线性材料；（2)假定模型各个部分温度始终相 同，忽略热传导和热对流所带来的影响；（3)焊球为94焊接学报第38卷顶球体，焊接界面接触良好，焊点致密，无空穴、气 孔等缺陷.表1 CBGA 器件结构尺寸Table 1 Geometry of CBGAmodel类尺寸3/m m类尺寸3/m m焊盘上侧厚度0.05焊盘下侧厚度0.05上焊盘直径0.60下焊盘直径0.60焊球间距 1.27球径0.75A 6M 基板厚度1.80A 6M陶瓷外形尺寸21 X 21P C B 基板厚度2.00P C B 基板外形尺寸55 x 55文中重点研究焊点的应力应变行为与疲劳寿 命，故划分 时焊点的 划分较细.在热冲击过程中由同的系数，导致边角处的热应力最大，最失效[2].此边角处三个焊点的 划分最细，其余分 .模型具有结构和约束的对称性，为节省计算时间，采用1/8对 称模型.网格划分后的模型如图1所示.图1 CBGA 封装模型的网格划分Fig . 1 FEM model of CBGA package19温度加载与材料参数选择为了研究极 、大 条件下器件焊点的可靠性，将模型的热冲设定为-180〜+ 150j， 时为5t ，中峰值内各保900 S，为 1 810 t 热冲图2所示.图2热冲击温度曲线Fig . 2 Temperature curve of thermal shock 文中主要研究-180〜+ 150 j 热冲击下焊点 的可靠性，目有适用此低温的Anand参数.MIS 0模型使用化的应力-应 ，用多线性来表示Von M is e T ，适用于大应变分析.因此，采用MIS 0. 模型描述钎的力学行为，适用基的相关塑性.模拟过程中输入的应力应 用拉伸试验得到的结果(图3).模型中各相关材料的参数如表2所示[6].图3不同温度下钎料拉伸应力-应变曲线Fig . 3 Tensile stress - strain curves of solders at different temperatures采用A N S Y S 有限 件，利用MIS 0模焊点疲劳寿命.锡基钎料的单元类型为S 9d 185,型，分析极限冲击下焊点的应力应变行为，分用S 9d45.第10期田茹玉，等：极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测95表2模型中材料性能参数Table2 Properties of materials in FEM model材料弹性模量.M P a热膨胀系数$/(10-6K-1)泊松比MSn63P b3775 842 -152T( K)24.50.35 S A C30586748-176T( K)250.35铜焊盘128 93213.8+9.4x10-3T0.34陶瓷82 00070.26PC B 27 924-37T(A B)12 204-16 T(Z)16 (XY)84 (Z)0. 11(X Y)0. 39 ( YZ&XZ)2计算结果与分析29C B G A关键焊点位置图4和图5为-180〜+150°C热冲击载荷下，第九冲击中S n63P b37焊点的应力和应图.可以，B G A器件中应力、应最大的位置均距离器件中心最远（角"的焊点上，S A C305焊点的应力及应有类似结果，这是由于此失最严重.可见在热冲击条件下，边角最外侧焊点处最易由于应力应大而萌生裂纹，导致器件失效，是C B G A焊点阵列的关键焊点（最危险焊点）•图4 -180 X保温后Sn63Pb37焊点应力分布Fig.4 Stress distribution of Sn63Pb37 solder joints after dwelling at -180 X图5 +150 X保温后Sn63Pb37焊点应变分布Fig.5 Strain distribution of Sn63Pb37 solder roints after dwelling at +150 X 29C B G A关键焊点应力结果分析最大应力应在边角最外侧焊点，所以选取关键焊点进行应力分析.图6为第冲击过程中关键焊点的应力云图，极限（+ 150C"开始和极限（-180C"保温开始最大应力在S n63P b37焊t 面的左上角，即陶瓷载体一侧焊盘与界面，S A C305关键焊点的应力分布基本相同.研究表明，热循下速，允系统达到均匀，失由整体热失成，因此循环下C B-G A器件焊点的失一般基板一侧焊盘与界面;热冲的速，失由局失成的，失在陶瓷载体一侧焊盘与界面上[&].图6第十个温度冲击中边角焊点应力分布Fig.6 Stress distribution of the corner during the 10th temperature shock取S n63P b37和S A C305焊点应力最大节点，即 105节点进行应力分析，应力冲击的变化如图7所示.发现无论是S n63P b37还是S A C305,应力冲性变化.极限保温，应力$降，焊点内部应力急增大，升时，相.：由降低，与铜焊盘的系数失增大，钎96焊接学报第38卷的弹性模量 大，温度降至极限-180°C V应力值最高，Sn63Pb37焊点的最大应力值为142 MPa，SAC305 达到 166 MPa.Sn63Pb37 和 SAC305 焊点分别在经过第六和第 ，应力趋 .此夕卜，对比两条应力 ，SAC305焊点的应力略 同条件下Sn63Pb37焊点的应力值，这是由 SAC305 的性模量Sn63Pb37 ，而两者的 系数相 大，故近似的应变产生的应力也更高.由分析可 冲 下最大应力 角最外侧焊点的上侧焊盘与 交界处，因此焊点的最 点，可用于焊点寿命 .图7 CBGA器件焊点105号节点的应力曲线Fig.7 Stress curves of105th node in CBGA package2.3寿命预测结果分析采用基于能量的Darveaux模型计算焊点在每循 的裂纹萌生和裂纹扩展率，在此基上 焊点的疲劳寿命.Darveaux模型中关于裂纹产生和裂纹扩展的 式[8]为1=X (A?ae)X2(1)d adN=X3(A?ae)X4(2)1 :a=0+d a/d1(3)N%'A?A?ae= ：11(4)式中(1为焊点中裂纹萌生时经历的周期数;1为焊 点的 疲劳失效寿命，即失效率为63. 2%时经历的数;#为断裂 ，在里取焊球和铜焊盘的连接直径;d#/d1为裂纹扩展速率;表示体积为R的第： 的塑性应 ；A?ae为两循环的累计 性应 ；X，X，X和X为裂纹扩展常数.分别提取Sn63Pb37和SAC305最边角焊点的 A?a V e，Darveaux寿命预测公式，可分别得到Sn63Pb37 和 SAC305 焊点在-180 〜+ 150 C热冲击下的疲劳寿命预测结果，见表3.表3焊点疲劳寿命预测结果Table3 Fatigue life of solder joints裂纹萌生时的循环数特征疲劳失效寿命焊占1(周）1(周）S n63P b37 77 207S A C305 163 373从表3中可以看出，SAC305焊点裂纹萌生时的 循 次和 疲劳寿命都略 同条件下的Sn63Pb37焊点，说明SAC305器件焊点相比Sn63Pb37焊点具有更高的可靠性；文[9]显示C B G A在-55〜125 C循环下的疲劳寿命在1 142〜2 320周次之间，极限 冲击下焊点的疲劳寿命远 此，由速的 冲击导致焊点发生 形，内应力大量 ，不太可生蠕变，而极限 冲击的大范 化导致黏塑性功增大[10]，此焊点的疲劳寿命大幅度降.3结论(1)极限温度（-180〜+150 C"热冲击载荷 下，C B G A器件关键焊点 角最外侧焊点处;较的速率导致 失配，因此应力最大值 在边角焊点陶瓷载体一侧焊盘与界面.第10期田茹玉，等：极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测97(2)焊点内部应力随温度载荷呈周期性变化; 温度降低时，热膨胀失配度增大，且钎料低温时弹性模量相对较高，导致焊点应力急剧增大;温度升高时，正好相反;保温阶段，应力水平保持不变.(3)S A C305焊点的应力总是略高于相同温度载荷条件下的S n63P>37焊点.(4)基于D a r v e a u x模型，对C B G A焊点的疲劳寿命进行预测，发现S n63P>37和S A C305两个焊点在_1"0~+150°C热冲击载荷下的特征疲劳寿命分别为207周和373周，远低于-55~125°C温度循环下的疲劳寿命，为评定C B G A焊点在极低温大温变条件下的可靠性提供了理论依据.参考文献：& 1'R a h i m M K，S u h lin g J C , Jaeger R C , et al.R e lia b ility o f f lipc h ip assem blies subjected to extreme lo w te m p e ra tu re s&C] )T h eT e n th In te rs o c ie ty C onference on T h e rm a l and T h e rm o m e ch a n ica lP henom ena in E le c tro n ic s S ystem s，I E E E，2006：1379 -1389.[2]韦何耕，黄春跃，梁颖，等.热循环加载条件下P B G A叠层无铅焊点可靠性分析[J].焊接学报，2013, 34(10":91 -94.W e i H e g e n g，H u a n g C h u n y u e，L ia n g Y in g，et al.R e lia b ility analysis o f p la s tic b a ll g rid a rra y d o u ble -bu m p lead - free solderjo in t u n d e r th e rm a l c y c le[ J]. T ransactio ns o f th e C h in a W e ld in gIn s titu tio n，2013，34(10)：91 -94.[3]叶焕，薛松柏，张亮，等.C S P器件无铅焊点可靠性的有限元分析[J].焊接学报，2009, 30(11":93 -96.Y e H u a n，X u e S o n g b a i，Z ha ng L ia n g，et a l. F in ite elem e nt analysis on r e lia b ility o f lead - fre e soldered jo in ts fo r C S P d e v ic e[J].Transactio ns o f the C h in a W e ld in g In s titu tio n，2009，30(11)：93-96.[4]R a m e s h a m R. R e lia b ility assessm ent o f ce ram ic c o lu m n g rid array(C C G A717)in te rc o n n e c t packages u n d e r extrem e tem peraturesfo r space a p p lic a tio n s( -185 C to + 125 C) & C]) Proceedings o f S P LE—the In te rn a tio n a l S o ciety fo r O p tics and P h o to n ic s，2010, 7592：75920F-1-16.[5]Ram esham R. R e lia b ility o f h ig h I/O h ig h d e n s ity C C G A in te rconn ect e le c tro n ic packages u n d e r extrem e th e rm a l enviro nm e nts& C]) P roceedings o f S P LE—the In te rn a tio n a l S o ciety fo r O pticsand P h o to n ic s，2012，8250：82500A - 1 -15.[6]田艳红，贺晓斌，杭春进•残余应力对混合组装B G A热循环可靠性影晌[J]•机械工程学报，2014, 50(2)：86-91.T ia n Y a n h o n g，H e X ia o b in，H a n g C h u n jin. Infliae nce o f tlie h yb rid B G A re s id u a l stress a fte r re flo w on the th e rm a lc y c lin g re liab ilit y [ J].Jo u rn a l o f M ec h a n ic a l E n g in e e rin g，2014，50(2)：86-91.[7]G h a ffa ria n R. A cce le ra te d th e rm a l c y c lin g and fa ilu re m echanism s fo r B G A and CSP a s e m b lie s & J ].Jo u rn a l o f E le c tro n icP a c k a g in g，2000, 122(4)：335 -340.[8 ] D a rvea ux R. E ffe c t o f s im u la tio n m eth odology on so ld e r jo in tcra ck grow th co rre la tio n and fa tig u e life p re d ic tio n[ J]. Jo u rn a l o fE le c tro n ic P a c k a g in g，2002，124(3)：147 -154.[9]G h a fa ria n R. C C G A p a c k a g e s fo r space a p p lic a tio n s[ J]. M ic roele ctro n ics R e lia b ilit y，2006，46(12)：2006-2024.[10]C h aparala S C，Roggem an B D，P ita rre s i J M，et a l. E ffe c t o fgeom etry and tem p era ture cycle on the r e lia b ility o f W L C S P solderjo in ts[ J ].Com ponents and P a ckagin g T e c h n o lo g ie s，IE E ETransactio ns o n，2005，28(3)：441-448.作者简介：田茹玉，女，1988年出生，博士研究生.主要从事电子 封装可靠性方面的研究•E m a il：tia n ru y u3@163.c o m通讯作者：田艳红，女，教授•E m a il：tia n y h@h it.e d u.c n。
混合组装BGA焊点可靠性模拟与试验研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
both reflow process, and the presence of Cu6Sn5, Ag3Sn and Cu-Ni-Sn ternary was confirmed. The growth of IMC during aging stage was proportional to the square root of time, which was in line with bulk diffusion mechanism, and lead accumulation, crack and IMC fragmentation severely reduce reliability. However, no obvious lead aggregation and IMC thickness growth were observed during thermal cycling stage. The crack initiation and propagation after long-period cycle was pointed out to be subject to stress accumulation and weak interface. Through dyeing test and MAP diagram four kinds of solder joint failure was figured out, and the stress of four corners was greater than that of sides and even center. Component of ceramic package possessed lower reliability due to mismatch of thermal expansion, with long-term aging or thermal cycling test having the same result, and eventually the process Ⅱ was evaluated to be slightly better than process Ⅰ. Key Word ： Mixed Pb-free BGA/SnPb solder paste assemblies, Reliability, FEM, Microstructure evolution, Fractography
BGA封装循环弯曲试验与温度循环试验的关系
BGA封装循环弯曲试验与温度循环试验的关系张筌钧【摘要】随着手持式产品在IC封装可靠性的需求增加,业界正在研究可减少时间与成本的可靠性评估方式.就我们所知,温度循环试验(thermal cycle testing)是验证焊点可靠性的重要测试之一,但其验证往往需要很长时间才知道结果.为了缩短验证时间,文章研究机械疲劳性试验取代温度循环试验的可能性.选择四点循环弯曲试验(cyclic bending test)为研究的重点,在JEDEC22-B113规范中的定义,四点循环弯曲试验条件包含频率跟位移来仿真实际的条件.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2010(010)011【总页数】6页(P5-10)【关键词】球栅阵列封装;循环弯曲试验;温度循环试验;Coffin-Manson【作者】张筌钧【作者单位】宜特科技股份有限公司,台湾新竹,30072【正文语种】中文【中图分类】TN305.941 引言一般被应用来评估焊点老化效应的测试方法都使用循环弯曲试验（cyclic bending test）与温度循环试验（thermal cycle test）。
在以往的一些文章研究当中发现这两种失效机构是相似的。
基于这个因素，此文章将以寿命预测的观点去探讨两种试验方法的关系，透过疲劳寿命与应变结果去研究其关联性，并针对试验后所产生的失效模式观察彼此是否相符合。
文章将使用0.5 mm 间距（pitch）TFBGA封装元器件去研究其焊点疲劳期间的应变变异效应，使用表面焊点的疲劳寿命作为研究的重点，透过电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察分析失效机构的微结构并以聚焦离子束显微镜（Focused Ion Beam，FIB）对金属晶格进行分析。
循环弯曲试验与温度循环试验在不同条件下的疲劳寿命预估，将使用应变寿命预估方法。
此方法将根据Coffin-Manson方程式去预估无铅焊点疲劳寿命，在这两种测验方法的应变变化大小与疲劳寿命关系曲线上研究他们的相关性。
BGA热疲劳仿真报告
1.1 电子封装发展过程为了便于晶体管在电路中使用和焊接，要有外壳外接引脚；为了固定半导体芯片，要有支撑它的外壳底座；为了防护芯片不受大气环境污染，也为了使其坚固耐用，就必须有把芯片密封起来的外壳等，这样产生了微电子封装技术。
概括起来，微电子封装技术经历了以下几个发展阶段：第一阶段：20世纪60、70年代，IC芯片的制造还处于初始阶段，集成度很低，对IC封装没有更多的要求。
此阶段采用了以双列直插(DIP)为主，以单列直插式(SU）与针栅阵列(PGA)为辅的封装。
特点是封装尺寸大，占印刷电路板(PCB)面积大，集成度和频率难以提高。
第二阶段：进入80年代，出现了表面组装技术(SMT)，该技术以回流焊代替波峰焊，进一步提高了PCB成品率，对IC的封装提出了新要求，开发出了塑封有引线芯片载体(PLCC)、四边引出线扁平封装(QFP)的紧凑型封装。
第三阶段：90年代中前期，随着个人计算机的普遍使用，带来了计算机产业质与量上的重大变化，原有的PLCC、QFP、封装上的系统(SOP)已不能满足它的发展要求，从而进一步引入了更小更薄的封装形式：窄间距小外形封装(SSOP)、窄间距四边引出线扁平封装(SQFP)、内引线的球栅阵列(BGA)封装及壳内系统封装(SIP)。
特别是BGA封装形式，使IC引出脚大大增加。
至此，多年来一直大大滞后于芯片发展的微电子封装，由于BGA的开发成功而终于能够适应芯片发展的步伐。
第四阶段：IT产业的不断繁荣，促进了电子设备向高性能、高集成、高可靠性方向发展，而支持其发展的关键技术就是IC组装技术。
封装技术进入了高速发展期，先进的封装技术和形式不断涌现，如多芯片组件技术(MCM)、芯片尺寸封装技术(CSP)、芯片直接贴装技术（DCA)、晶圆规模集成技术(WSI)等。
其中，CSP主要是由BGA向小型化、薄型化方向发展而形成的一类崭新的封装形式。
1.2 电子封装分级从一个晶体管到几个集成电路板，电子封装技术可以分为以下五级：(1)零级封装。
BGA不良分析改善报告
二、计划&生产管控 1. OSP PCB生产必须于拆封后24小时内完成SMT，生管计划根据SMT的
工时排线,不得超过规定时限。 2. 计划把握进料状况. 料齐后才可以安排上线。 3. BGA一般布置在PCB的B面，先生产完A面后，B面有机防护膜被高温破
坏，所以，计划需要保证生产连续性，要求A面生产后，B面生产时间 间隔不超过24小时。 4. OSP工艺PCB一般不要烘烤；如果回潮必须要烘烤，条件：100℃，4h。 5. 生产时不能一次拆很多包，使用完一包再拆一包； 6. 禁止裸手接触PCB板内元件焊盘。 7. 拆包前检查包装是否破裂，确认PCB焊盘是否变色，如果变形，需要 退回仓库，待供应商重工处理。
本文主要针对BGA失效原因及质量提升方法进行分析，并提供相 应失效原因的解决办法，为提高含BGA元件PCBA合格率提供技 术参考。希望能为公司当前在生产制造含BGA产品中遇到的问题， 提供帮助。
BGA有不同类型，不同类型的BGA有不同的特点，只有 深入了解不同类型BGA的优缺点，才能更好地制定满 足BGA制程要求的工艺，才能更好地实现BGA的良好装 配，降低BGA的制程成本。
目前含BGA的PCB板采用的工艺形式较多是 OSP（有机保焊剂）和 ENIG（化镍金）。我 公司产品对两种工艺的PCB都有使用。
两种不同工艺的PCB，因为其本身的工艺特 点，使用不当，会导致不同方式的失效。有 必要分别予以详细介绍。
业界对含BGA PCB工艺选用情况：
8
7
6
5 Percentage of Voids
左图是ENIG工艺PCB焊盘NI层 存在裂纹，当有裂纹存在时， 镍层的表面致密性差，后续浸 金工艺中的酸液容易残留其中， 致使NI层腐蚀氧化，导致焊盘 的可焊性不好。由于焊盘的可 焊性较差才导致焊盘与焊料之 间润湿不良，不能形成良好的 金属间化合物层。出现：“黑 焊盘”、不浸润等不良现象。
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1.1 电子封装发展过程为了便于晶体管在电路中使用和焊接，要有外壳外接引脚；为了固定半导体芯片，要有支撑它的外壳底座；为了防护芯片不受大气环境污染，也为了使其坚固耐用，就必须有把芯片密封起来的外壳等，这样产生了微电子封装技术。
概括起来，微电子封装技术经历了以下几个发展阶段：第一阶段：20世纪60、70年代，IC芯片的制造还处于初始阶段，集成度很低，对IC封装没有更多的要求。
此阶段采用了以双列直插(DIP)为主，以单列直插式(SU）与针栅阵列(PGA)为辅的封装。
特点是封装尺寸大，占印刷电路板(PCB)面积大，集成度和频率难以提高。
第二阶段：进入80年代，出现了表面组装技术(SMT)，该技术以回流焊代替波峰焊，进一步提高了PCB成品率，对IC的封装提出了新要求，开发出了塑封有引线芯片载体(PLCC)、四边引出线扁平封装(QFP)的紧凑型封装。
第三阶段：90年代中前期，随着个人计算机的普遍使用，带来了计算机产业质与量上的重大变化，原有的PLCC、QFP、封装上的系统(SOP)已不能满足它的发展要求，从而进一步引入了更小更薄的封装形式：窄间距小外形封装(SSOP)、窄间距四边引出线扁平封装(SQFP)、内引线的球栅阵列(BGA)封装及壳内系统封装(SIP)。
特别是BGA封装形式，使IC引出脚大大增加。
至此，多年来一直大大滞后于芯片发展的微电子封装，由于BGA的开发成功而终于能够适应芯片发展的步伐。
第四阶段：IT产业的不断繁荣，促进了电子设备向高性能、高集成、高可靠性方向发展，而支持其发展的关键技术就是IC组装技术。
封装技术进入了高速发展期，先进的封装技术和形式不断涌现，如多芯片组件技术(MCM)、芯片尺寸封装技术(CSP)、芯片直接贴装技术（DCA)、晶圆规模集成技术(WSI)等。
其中，CSP主要是由BGA向小型化、薄型化方向发展而形成的一类崭新的封装形式。
1.2 电子封装分级从一个晶体管到几个集成电路板，电子封装技术可以分为以下五级：(1)零级封装。
包括芯片粘接和芯片互连技术。
芯片粘接只需将芯片固定安装在基板上，方法有Au-Si合金共熔法、Pb-Sn合金片焊接法、导电胶粘接法、有机树脂基粘接法；芯片互连技术包括引线键合(Wire Bonding)、载带自动焊(Tape Automated Bonding)和倒装焊腰（Flip Chip Bonding)--种。
(2)一级封装。
它是将一个或多个IC芯片用适宜的材料(金属、陶瓷、塑料或它们的组合)封装起来，同时在芯片的焊区与封装的外引脚间用上述三种芯片互连方法连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。
该级封装包括封装外壳制作在内的单芯片组件(SCM)和多芯片组（MCM)两大类，在各个不同的发展时期都有相应的封装形式．(3)二级封装。
这一级封装实际上是组装，即将上一级各种微电子封装产品、各类元器件及板上芯片(Chip On Broad)--同安装到PWB或其他基板上。
该级组装技术包括通孔安装技术(THT)、表面安装技术（SMT）和芯片直接安装技术(DCA)三部分。
(4)三级封装。
这是一级密度更高、功能更全、更加庞大复杂的组装技术，是由二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的，是一种立体组装技术。
(5)三维(3D)封装。
以上所述的几种微电子封装技术都是在xy平面内实现的二维(2D)封装。
由于电子产品小型化、轻型化、薄型化等高密度封装的要求，电子封装必然要在二维的基础上向z方向发展，形成三维封装技术。
3D封装主要包括三种方法：埋置型、有源基板型和叠层法。
在零级和一级封装中，倒装焊(FCB)技术得到了广泛应用，该技术是最有前途的一种芯片互连技术，它比WB和TAB的综合性能高，是正在迅速发展和应用的高新技术。
图1-1图1-1给出了印刷电路板上的塑料球栅阵列(PBGA)、芯片尺度封装(CSP)和直接芯片贴装(DCA)结构示意图。
PBGA和CSP都是高密度器件封装，而DCA 则省略了器件封装这一环节。
2.1 BGA封装简介球形触点阵列(BGA)是近几年才迅速发展起来的最新表面安装技术中的一类封装形式。
它是在基板的背面按阵列方式制出球形触点作为引脚，在基板正面装配集成电路，而形成的一种表面贴装技术。
按基板材料的类型，BGA的封装类型主要有：塑料球栅阵列(Plastic Ball Grid Array，简称PBGA)、陶瓷球栅阵列(Ceramic Ball Grid Array，简称CBGA)、陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array，简称CCGA)、载带自动键合球珊阵列(Tape Automatic Ball Grid Array，简称TBGA)。
BGA焊球直径有0.89mm和0.76mm等多种，间距通常由1.27mm和1.Omm。
这种封装器件具有以下特点：1．器件引脚很短，使信号路径短，减小了引线电感和电容，增强了电性能；2．改善共面问题，再流焊时具有自对正效应；3．能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容，原有丝印机、贴片机和再流焊设备都能使用；4．BGA适合MCM的封装需要，有利于实现MCM的高密度、高性能。
当然，BGA本身尚具有一些不尽人意之处：1．焊点隐藏在封装之下，焊点质量检测困难：2．BGA的返修需要专用设备；3．BGA的可靠性问题。
2.2.1 CBGA与铜或合金引脚(线)相比，球形焊点更便宜，也非常适应SMT生产技术的要求，因此各大芯片制造公司(如Motorola，IBM，Hitachi，NEC等)纷纷将PGA(Pin Grid Array)针栅阵列封装中的插针用焊球来代替，从而演变出CBGA陶瓷球栅阵列封装。
陶瓷封装因其良好的气密性，而主要应用于军事领域。
CBGA采用了多层陶瓷基底，并使用了两种不同的焊点连接方式。
一种是在小一点的陶瓷基片上，采用了球形焊点：另一种连接方法是更大的陶瓷基片上采用柱形焊点，它现在被称为陶瓷柱形网格阵列封装(Ceramic Column Grid Array，CCGA)。
图2-1 典型CBGA结构示意图2.2.2 PBGA由于BT树脂(双马来酞亚胺三氮杂苯树脂)或聚酰亚氨(PI)比陶瓷便宜，并且有很好的电性能，因此被用来代替CBGA中的陶瓷基底，并用塑料将基底与晶片密封起来，形成塑料球栅阵列封装(PBGA)，应用于民用。
钎料球(Solder ball)组成为共晶钎科63Sn37Pb或62Sn36Pb2Ag，目前钎料球直径分为0.76mm、0.5mm和0.3mm几种，间距一般为1.5mm、1.27mm和1mm。
早在1989年，Motorola公司就由类似PBGA形式的封装器件成功用于便携式的电子产品中。
图2-2 典型PBGA结构示意图图2-2为典型的PBGA封装结构示意图。
封装时首先采用导电的芯片粘接剂将Si芯片与BT树脂基板粘接起来，再通过印刷铜导线和过孔将电路引至BT基片底部的焊盘阵列。
为了保护芯片不受损坏，采用模压化合物对芯片进行密封，最后将共晶钎料球与基板上的cu焊盘(Pad)连接起来形成钎料凸点(Solder bump)，这些以阵列方式排列的钎料凸点即为PBGA封装器件的I/0引脚。
2.3.1 ANAND本构模型在BGA热疲劳寿命预测中的应用黏性形变是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变，该形变随时间的增大而增大，具有率相关的特性；塑性是指材料在外应力去除后仍能保持部分应变的特性，材料发生塑性形变而不断裂的能力称为延展性，塑性变形与时间无关，具有率无关性；蠕变是指在恒定应力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象，低温下表现为脆性的材料，在高温下往往具有不同程度的蠕变性为，蠕变与时间相关，具有率相关性。
自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹性固体与理想黏性液体之间，既具有固体的弹性，又具有液体的黏性，即黏弹性。
黏弹性材料的力学性质与时间有关，具有力学松弛的特性，常见的力学松弛现象有蠕变、应力松弛、滞后和力损耗等。
焊点的寿命预测一直是焊点可靠性问题的重要内容，已经提出了多种寿命预测模型，如基于应变范围的Coffin-Manson经验模型、基于断裂力学的裂纹扩展模型和基于损伤累积的能量模型等。
当前普遍认为，SnPb类焊点在热循环条件下的失效机制是蠕变疲劳的交互作用，SnPb焊点的失效断口既有疲劳断裂的疲劳辉纹，又具有蠕变断裂特征的沿晶辉纹。
这是因为焊点的熔点较低，在常温时就已经发生了不可忽略的蠕变。
所以单纯应用传统的疲劳分析模块是不足以预测焊点的热疲劳寿命的，在进行有限元分析时，必须考虑蠕变效应。
在温度循环加载或者功率循环加载实验中，对于SnPb焊点钎料通常采用两种不同的理论来描述其非弹性行为。
一种是采用与时间无关的塑性形变和与时间有关的蠕变形变分开处理的模型：另一种则透过建立统一型粘塑性本构模型来对其进行分析。
与前者相比，采用统一型粘塑性本构模型避免了大量材料常数的定义，而且从连续介质热力学角度出发，塑性形变和蠕变产生于同一机制，即位错理论，并考虑到SnPb基钎料具有较强的温度和加载速率的相关性，所以采用统一型粘塑性本构关系能更准确逑反映材料力学行必。
统一型粘塑性本构方程与传统塑性本构理论不同的是，它考虑材料内部状态变化对形变的影响，导致在本构方程中引入内部变量，并用准确的演化方程描述内部变量。
目前，已发展了多种形式的粘塑性本构模型，其中比较有代表性的有：(1)Miller模型；(2)Bodncr-Partom模型；(3)Anand模型。
由于Anand本构方程同时描述塑性和蠕变形变时准确可靠，并且在ANSYS中可以方便地定义与调用，因此本文采用Anand本构模型来分析钎料的力学行为。
1982年，Anand等人根据金属的高温成形采用单一内变量描述材料内与时闻有关及无关的非弹性形变，建立了金属热成形的粘塑性本构模型—ANAND模型。
和其他材料模式相比，它具有两个基本特征：(1)在应力空间没有明确的屈服面，因此在形变过程中，不需要加载／卸载准则，塑性形交在所有非零应力条件下产生；(2)采用单一内部变量描述材料内部状态对非弹性流动的阻抗。
内部变量(或称形变阻抗)用s标记，具有应力量纲。
Anand本构模型可以反映粘塑性材料与应变速率、温度相关的形变行为，以及应变率历史效应、应变硬化和动态回复等特征。
在ANSYS\Workbench中可以方便地定义ANAND本构模型的材料参数，ANAND本构模型的相关参数一共有九个，常见的63Sn37Pb的ANAND参数如下表2-1 63Sn37Pb由于金属的高温成形与钎料的热循环响应产生于相似的位错运动机制，具有相同的粘塑性特征，所以它在钎料力学性能的研究方面的到广泛的应用。