SMT焊點形態(tài)成形和焊點可靠性CAD

 摘要 本文以PBGA焊點形態(tài)成形CAD和焊點熱疲勞壽命可靠性CAD研究為例，提出smt焊點形態(tài)成形和可靠性一體化設(shè)計思想，并對其實現(xiàn)方法進行了分析研究，給出了具體實現(xiàn)步聚和研究結(jié)果。 1 引言焊點可靠性是采用表面組裝技術(shù)形成的電子產(chǎn)品的生命，對于航空和軍用smt產(chǎn)品，其重要程度尤為突出。焊點形態(tài)理論及其CAD技術(shù)是研究smt焊點成形后的外觀幾何形態(tài)與焊點可靠性之間關(guān)系的新理論、新方法，近年來內(nèi)外在該方面的研究相當活躍 。

     smt焊點因型眾多且 其形態(tài)大多為復(fù)雜的三維形態(tài)，研究難度較大。為此目前在smt焊點形態(tài)理論研究方面尚存在許多不完善之處。例如，至今尚無將焊點形態(tài)成形CAD和焊點熱疲勞壽命可靠性CAD結(jié)合一體的smt焊點形態(tài)CAD研究成果。本文以塑料球珊陣列器件焊點形態(tài)研究為例，通過形態(tài)建模和成形預(yù)測、模型轉(zhuǎn)換，熱應(yīng)力應(yīng)變和疲勞壽命可靠性預(yù)測CAD有機地結(jié)合為一體，形成smt焊點形態(tài)CAD實用軟件，較好地解決了smt焊點優(yōu)化CAD問題，進一步完善了smt焊點形態(tài)理論和方法。 2 PBGA焊點形態(tài)成形CAD 2.1 PBGA三維焊點形態(tài)建模 PBGA元器件單個焊點形態(tài)的模型可表示成圖1所示形式 ，其中rl、r2分別為PCB和芯片基板焊盤半徑，同時也是焊點形態(tài)上下兩圓半徑。h為焊點高度，θ1、θ2為接觸角，w為焊點大徑向尺寸。由于Surface Evolver軟件應(yīng)用于smt焊點形態(tài)成形預(yù)測具有良好的效果 ，本文用其對PBGA焊點形態(tài)進行預(yù)測。PBGA焊點液態(tài)釬料以及與其接觸的固相、氣相所組成的三相系統(tǒng)能量以泛函形式可描述為 ： 1=ƒƒ A γ d A + ƒƒƒνρ g z + λ [ ƒƒƒ v l d v -V 0 ] （1）式中：γ 為 表面張力；A為焊點自由表面面積；p、g、v為釬料的密度、重力加速度和體積；h、z 為焊點高度和高度坐標；F為焊點所承受力；λ為拉格朗日乘子。式（1）的被積函數(shù)滿足歐拉一拉格朗日方程時，可得泛函極值，Surfacd Evolver 基于小能量原理，利用變分問題的數(shù)值解法求解釬料的平衡形態(tài)，即焊點形態(tài)。 2.2 PBGA三維焊點形態(tài)成形預(yù)測圖2為一組利用Surface Evolver軟件預(yù)測的不同釬料體積情況下的PBGA焊點形態(tài)樣例，形態(tài)主要參數(shù)有釬料體積V、焊點高度h、焊點大徑向尺寸W。將該預(yù)測結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可形成釬料體積與其它形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系圖表。與此類似，通過各種不同形態(tài)參數(shù)情況下PBGA焊點形態(tài)的預(yù)測和數(shù)據(jù)處理，可得到一系列焊點形態(tài)主要參數(shù)之間的相互關(guān)系結(jié)論，這些結(jié)論可應(yīng)用于指導(dǎo)PBGA器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和組裝工藝設(shè)計[6]。 3 PBGA焊點形態(tài)與熱可靠性CAD 3.1PBGA焊點熱應(yīng)力應(yīng)變有限元分析模型 PBGA焊點熱應(yīng)力應(yīng)變解析一般先利用數(shù)學(xué)簡化方法確定元器件中受應(yīng)力應(yīng)變大處的關(guān)鍵 焊點和相應(yīng)的熱變形位移量，然后再以有限元方法對關(guān)鍵焊點進行細化分析。當對上述已預(yù)測的焊點形態(tài)進行細化分析時，其難題之一是要將已形成的焊點形態(tài)表面模型轉(zhuǎn)化為熱應(yīng)力應(yīng)變有限元分析所需的實際模型。昆山smt本文提出并應(yīng)用了將焊點形態(tài)成形預(yù)測結(jié)果一三維形態(tài)表面模型轉(zhuǎn)化為三維實體模型的方法來建立熱應(yīng)力應(yīng)變有限元分析模型。該方法利用焊點預(yù)測形態(tài)的表面節(jié)點坐標及其分布規(guī)律，通過按ADINA-IN的輸入數(shù)據(jù)格式要求編制的轉(zhuǎn)換程序進行轉(zhuǎn)換，進插入三維體體內(nèi)節(jié)點，后形成具有如圖（圖略）所示形式的、由6節(jié)點棱柱體三維固體單元構(gòu)成的PBGA焊點有限元分析模型。為簡化轉(zhuǎn)換過程，從預(yù)測形態(tài)模型中提取的表面節(jié)點個數(shù)可適度選取，若應(yīng)力分析時需提高精度，可利用ADINA-IN自動細分功能對三維實體模型作進一步細分。 3.2PBGA焊點熱應(yīng)力應(yīng)變解析和熱疲勞壽命預(yù)測利用ADINA軟件的非線性彈塑性蠕變材料分析功能和相關(guān)熱疲勞壽命計算式[7、8、9]，通過-55℃~+125℃熱循環(huán)條件下的熱力應(yīng)變解析和疲勞壽命預(yù)測有如下結(jié)論：

     PBGA外凸型（w≥2r）焊點的熱疲勞壽命隨釬料體積增加而增大；內(nèi)凹型（w‹2r）焊點在一竅不通范圍內(nèi)比外凸型焊噗具有更高的熱疲勞壽命；焊點所受外力不同其形態(tài)及疲勞壽命不同；焊盤半徑變化也將引起焊點熱疲勞壽命的變化。 3.3PBGA焊點形態(tài)與熱疲勞壽命之間的關(guān)系表達式本文利用通用分析統(tǒng)計軟件一社會科學(xué)統(tǒng)計分析程序?qū)σ陨戏治鼋Y(jié)果和以正交試驗方法選擇的不同工藝條件下的分析結(jié)果、也即焊點形態(tài)與疲勞壽命之間的多變量關(guān)系進行了多元線性回歸分析處理，得出了三種不同組裝工藝形式的焊點形態(tài)與疲勞壽命之間的關(guān)系表達式。這三種形式分別為：（1）焊點高度不固定、芯片在工藝狀況下的表達式 Nf+β（a+bR+cV²+dr V +F +eR VF+Frvf+gR²+hRVF +iR F ）（2）式中：R，V，F(xiàn)分別為上下焊盤半徑、釬料體積和單個焊點承受的芯片重量。其中：a=7743.622273; b=-9145.314152; c=612.403920; d=7049.710307; e=-62.129717; f=33.397448; g=1550.556975; h=-1422.718031; i=658.951238.β為焊點陣列形式修正乘子，它對不同規(guī)格焊點陣列對該表達式的不同影響進行修正，該乘子通過對不同焊點陣列與關(guān)鍵焊點熱位移量值之間的關(guān)系和影響規(guī)律的總結(jié)及數(shù)據(jù)處理而得，其表達式為： β=（9aL³+bL²+cL+d）/e （3）式中：L為焊點陣列中心到關(guān)鍵焊點的中心距，單位為 mm：a=-0.043229167 b=5.078348214; c=-128.127083333; d=3928.392857143; e=853.292817143; (2)焊點高度不固定、芯片在下工藝狀況下的表達式 Nf=β（a+bRcV²F+dRF+eR³VF+Frvf） （4）式中：a=13005.274474;b=-3820.337927;c=-70.786349;d=69,411249;e=-3.468010;f=3.135109. (3)焊點高度H固定工藝狀況下的表達式 Nf=β（a+bH+cV+dR/H+eR³/H） （5）式中：a=-7778.052831;b=108540.07883;c=-430.651020;d=100.384075;e=-4.192278. 4smt焊點形態(tài)CAD軟件 4.smt焊點形態(tài)預(yù)測CAD方法在此以焊點的熱疲勞壽命作為形態(tài)是否合理的主要評價依據(jù)，以焊點結(jié)構(gòu)參數(shù)的某些設(shè)計要求作為焊點形態(tài)的限制條件，以熱循環(huán)負載狀況等內(nèi)容主要依賴于理論公式和假設(shè)，與實際狀況有一定的差距。所以，利用該原理和方法所得的焊點應(yīng)力應(yīng)變和疲勞壽命等預(yù)測結(jié)果，并不一定能與實際數(shù)值完全相符。但由于對同一類焊點比較分析標準一致性，相應(yīng)的焊點形態(tài)合理性評價方法是科學(xué)的，因此，其評價結(jié)果的正確性是可信的?；蛘哒f，這是一種在特定條件下通過以定量的焊點性能參數(shù)進行相對比較評價，而獲得定量的焊點形態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值結(jié)果的CAD方法，(smtsh.cn/ target=_blank class=infotextkey>上海smt)其分析定評價數(shù)值與實際數(shù)值的符合程度并不影響優(yōu)化結(jié)果。 4.2smt焊點形態(tài)與可靠性CAD軟件實現(xiàn)本文以PBGA焊點形態(tài)為例實現(xiàn)了焊點形態(tài)預(yù)測CAD的基本思想，并在Winows95/98平臺上形成了具有良好人機界面的交互式實用軟件，昆山smt其軟件由二大部分組成。一部分為“smt焊點成形軟件”，其功能是基于小能量原理、利用Surface Evolver軟件、采用有限元方法、借助已建立并儲存的各種焊點形態(tài)初始模型、根據(jù)操作者以人機對話形式輸入或選擇的各種條件，自動進行所設(shè)計焊點的成形演變井輸出成形結(jié)果形態(tài)。二部分為“smt焊點形態(tài)可靠性評價軟件”，其功能是基于焊點的應(yīng)力應(yīng)變分析和疲勞壽命計算、借助已積累并佬存的各種smt焊點的疲勞壽命數(shù)據(jù)，對指定的焊點形態(tài)進行應(yīng)力解析、壽命預(yù)測及合理性評價，并輸出焊點應(yīng)力應(yīng)變、疲勞壽命數(shù)值和形態(tài)參數(shù)修正建議。這部分的功能相當于圖中虛線框中的右半部分，其輸入為特定焊點形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料性能參數(shù)，輸出為焊點的應(yīng)力應(yīng)變分布圖及焊點疲勞壽命或形態(tài)參修改建議。本文采用的焊點形態(tài)評價方法分為人工參與分析評判方式和自動分析評價方式。前一種方式將前后二次成形的焊點應(yīng)力應(yīng)變分析及熱疲勞壽命計算結(jié)果進行分析判斷，人工參與修正參數(shù)進行焊點的再成形、再分析，直至獲得合理焊點形態(tài)。后一種方式利用已儲存經(jīng)驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗公式，并能使成形和分析過程不間斷連續(xù)進行。在自動分析評價方式或作為評價依據(jù)的經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)是通過采用前一種方式分析評價積累的經(jīng)驗和實際經(jīng)驗結(jié)合形成的一個焊點形態(tài)分析評價專家系統(tǒng)。 5結(jié)束語綜上所述，本文提出并基本實現(xiàn)了將smt焊點形態(tài)成形CAD和焊點可靠性CAD結(jié)合為一體形成smt焊點形態(tài)優(yōu)化CAD的思想，探討了其基本理論和方法。本文所論述內(nèi)容是作者結(jié)合實際科研課題進行長期研究的結(jié)果，但鑒于內(nèi)在smt元器件研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及作者的水平所限，文中許多內(nèi)容有待進一步提高和完善，今后愿與從事該領(lǐng)域研究的同仁共商。