微尺度CSP焊點溫振耦合應(yīng)力應(yīng)變有限元分析

黃春躍， 韓立帥， 梁 穎， 李天明， 黃根信

(1. 桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004; 2. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，成都 610021;3. 桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車與動力工程系，廣西 桂林 541004)

隨著數(shù)碼相機、手機、掌上電腦(PDA)和便攜式存儲設(shè)備等消費類電子產(chǎn)品不斷向微型化、輕薄化、多功能化與高可靠性方向發(fā)展,這對用于消費類電子產(chǎn)品中的電子元器件的尺寸與可靠性均提出了更高的要求。而為減小器件尺寸并提高器件可靠性，器件的封裝技術(shù)起到至關(guān)重要作用，封裝技術(shù)也日益向高密度、高精度、細(xì)間距和微尺度方向發(fā)展。芯片尺寸封裝(Chip Scale Package,CSP)作為一種新型封裝技術(shù)由此而出現(xiàn)并得到日益廣泛應(yīng)用。與球柵陣列(Ball Grid Array,BGA)封裝技術(shù)相比，CSP的特點為組裝時占用印制板的面積更小，可用于微薄型電子產(chǎn)品組裝；在相同的封裝尺寸時可有更多的I/O數(shù)，使組裝密度進(jìn)一步提高[1]。

在CSP封裝結(jié)構(gòu)中互連焊點(即CSP焊點)是其重要組成部分，互連焊點在CSP封裝中直接承擔(dān)著電氣連接、機械支撐及散熱作用。就目前CSP封裝中CSP焊點的尺寸而言，主流CSP焊點的直徑已小至50～100 μm(甚至更小)[2]。在互連焊點尺寸日益微型化的條件下，微型化的焊點的性能與體釬料材料相比已明顯不同，這種由于焊點尺寸的變化而引起材料行為和性能變化的現(xiàn)象即為尺寸效應(yīng)[3]，當(dāng)電子元器件中互連焊點的體積小于6.96×10-4mm3(即直徑與高度大約均為110 μm的焊點)時，通過體釬料獲取的相應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)用于微互連焊點將不再可靠。而焊點微型化已成為必然趨勢，互連焊點在尺寸上的縮小所導(dǎo)致的尺寸效應(yīng)進(jìn)一步增加了其產(chǎn)生故障而失效的可能性，因此對微尺度焊點可靠性進(jìn)行研究極其必要。對此，已有學(xué)者展開了相關(guān)研究，如周洪彪[4]對直徑為90 μm的無鉛微尺度焊點在熱循環(huán)加載條件下的可靠性進(jìn)行了研究；沈星[5]對直徑為10 μm的Sn單晶粒微尺度焊點在熱循環(huán)加載條件下的可靠性進(jìn)行了仿真研究；Zha等[6]對熱循環(huán)載荷下不同IMC(Intermetallic Compound)形狀和厚度對微尺度焊點可靠性影響進(jìn)行了研究Son等[7]對Cu/SnAg疊層焊點進(jìn)行了1 000周的熱循環(huán)加載測試均無失效產(chǎn)生；除上述研究外，還有其他學(xué)者也對焊點在溫度載荷環(huán)境下[8-13]和振動環(huán)境下[14-18]的可靠性開展了相應(yīng)的研究。以上學(xué)者的研究結(jié)果已表明尺寸效應(yīng)對焊點可靠性產(chǎn)生了不可忽略的影響，但針對微尺度焊點可靠性問題目前所開展的研究工作還僅局限于在單一環(huán)境下對微尺度焊點進(jìn)行可靠性研究，研究結(jié)果尚無法全面反映出微尺度焊點在實際復(fù)雜工作環(huán)境下的可靠性，而實際上微尺度焊點在實際應(yīng)用中的環(huán)境相對復(fù)雜，甚至要同時經(jīng)受隨機振動與熱循環(huán)加載等多種載荷的共同作用，因此僅在單一環(huán)境下對微尺度焊點可靠性進(jìn)行研究已經(jīng)無法滿足對其可靠性進(jìn)行全面綜合評估，無法確保微尺度焊點在復(fù)雜環(huán)境中可靠工作，因此，研究微尺度焊點在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性不可或缺。對此，本文基于ANSYS有限元分析軟件對微尺度CSP焊點進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，以熱和振動復(fù)合物理場作為加載條件，進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)-隨機振動耦合分析(以下簡稱溫振耦合分析)，研究微尺度CSP焊點在溫振耦合環(huán)境下應(yīng)力應(yīng)變分布和變化規(guī)律，分析溫振耦合條件下微尺度CSP焊點材料與焊點幾何形態(tài)參數(shù)變化對其應(yīng)力應(yīng)變的影響, 以達(dá)到為進(jìn)一步提高微尺度CSP焊點可靠性提供理論指導(dǎo)的目的。

1 微尺度CSP焊點溫振耦合環(huán)境下有限元分析

1.1 微尺度CSP焊點三維有限元模型

本文對微尺度CSP焊點進(jìn)行溫振耦合環(huán)境下應(yīng)力應(yīng)變分析時采用有限元分析方法。有限元方法因能處理復(fù)雜的加載條件和幾何結(jié)構(gòu)從而在研究焊點內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變分布中得到廣泛應(yīng)用。采用ANSYS軟件建立的微尺度CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變有限元分析三維模型如圖1所示。模型中微尺度CSP焊點為6×6全陣列，共36個焊點，焊點間距為0.3 mm，焊點材料選用SAC305無鉛焊料。模型中PCB尺寸為5.4 mm×5.4 mm×0.8 mm，芯片尺寸為1.8 mm×1.8 mm×0.525 mm；微尺度CSP焊點體積為5.23×10-4mm3(最大直徑約為100 μm時的體積)，焊點高度為80 μm，焊盤直徑為75 μm。為確保所建立的微尺度CSP焊點模型的精確性，采用基于最小能量原理的surface軟件模擬獲得微尺度CSP焊點的外形尺寸參數(shù)。采用映射網(wǎng)格劃分方式對三維有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以減小網(wǎng)格變化對應(yīng)力應(yīng)變所帶來的影響；并且對微尺度CSP焊點與芯片和PCB板接觸部分進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化以得到更精確的有限元分析結(jié)果。模型中各部分材料參數(shù)如表1所示。

圖1 微尺度焊點有限元模型

材料彈性模量E/GPa泊松比μ熱膨脹系數(shù)α×10-6/°C-1PCB18.20.2515芯片(硅)1480.282.6SAC30538.7-0.176 t0.3621.3+0.17 t

1.2 溫振耦合分析流程及加載條件

溫振耦合分析是指在利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析的過程中考慮了溫度、應(yīng)力和振動多物理場的交叉作用和相互影響。ANSYS軟件提供的耦合分析通常有兩種方式：直接耦合和間接(順序)耦合。對于熱-結(jié)構(gòu)-振動多場耦合分析，本文在分析熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時才用了直接耦合分析方法，在熱-結(jié)構(gòu)-振動耦合分析時采用間接耦合分析方法，主要分三個階段完成：① 溫度場分析，求得微尺度CSP焊點模塊結(jié)構(gòu)溫度場；② 轉(zhuǎn)變微尺度CSP焊點模型單元類型，將溫度場分析結(jié)果作為體載荷施加到模型中進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析；③ 將熱-結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果作為預(yù)應(yīng)力加載到微尺度CSP焊點有限元模型上，再進(jìn)行隨機振動分析，得到溫振耦合分析結(jié)果。

溫度場有限元分析的加載條件來源于美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883，加載曲線如圖2所示，最高溫度和最低溫度分別為+125 ℃和-55 ℃，高溫到低溫和低溫到高溫的升降溫速率均為36 ℃/min，高、低溫保溫時間均為10 min。在進(jìn)行溫振耦合分析時選取由最高溫度+125 ℃降溫至最低溫度-55 ℃的降溫過程對微尺度CSP焊點模型進(jìn)行溫振耦合有限元分析，并選取降溫過程中分別為125 ℃，75 ℃，25 ℃，-25 ℃和-55 ℃這5個溫度時進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合和溫振耦合分析。

圖2 熱循環(huán)加載溫度曲線

溫振耦合分析中，振動載荷為隨機振動載荷，采用的PSD加速度功率譜條件來源于美國軍標(biāo)MIL-STD NAVMAT P9492,PSD加速度功率譜曲線如圖3所示，即當(dāng)隨機振動頻率20～80 Hz時，曲線上升斜率為+3 dB/oct，對應(yīng)的加速度功率譜密度幅值范圍為0.01～0.04 g2/Hz，80 Hz時為0.04 g2/Hz；當(dāng)隨機振動頻率在80～350 Hz時，對應(yīng)的加速度功率譜密度幅值為0.04 g2/Hz，當(dāng)隨機振動頻率在350～2 000 Hz時，曲線以-3 dB/cot的斜率下降，對應(yīng)的加速度功率譜密度幅值范圍為0.04～0.01 g2/Hz。

圖3 隨機振動加速度功率譜密度曲線

1.3 微尺度CSP焊點熱結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果

熱結(jié)構(gòu)耦合分析是一種求解溫度場對結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變等物理量影響的分析類型， 在ANSYS軟件中，求解順序一般先進(jìn)行熱分析得到結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度場，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析得到應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。為得到在不同溫度下CSP焊點三維有限元模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，需要先對模型進(jìn)行瞬態(tài)溫度場熱分析，之后保留分析結(jié)果以及網(wǎng)格劃分結(jié)果，同時刪除熱對流邊界條件，改變分析類型為結(jié)構(gòu)分析，轉(zhuǎn)換熱單元類型SOLID70為結(jié)構(gòu)單元類型SOLID185，并將所得的模型溫度場分析結(jié)果作為體載荷施加到模型上作為結(jié)構(gòu)分析的初始載荷，隨后在下層PCB四個底角位置施加位移全約束，進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。采用范米塞斯等效應(yīng)力應(yīng)變(以下簡稱應(yīng)力應(yīng)變)描述焊點內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，得到熱-結(jié)構(gòu)耦合條件下-55 ℃時微尺度CSP焊點陣列應(yīng)力分布情況如圖4所示，-55 ℃時產(chǎn)生最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖4 微尺度CSP焊點陣列應(yīng)力分布情況

(a) 應(yīng)力分布云圖(b) 應(yīng)變分布云圖

圖5 熱結(jié)構(gòu)耦合環(huán)境下焊點應(yīng)力應(yīng)變分布

Fig.5 Stress and strain distribution of solder joint under thermal-structure coupling environment

1.4 微尺度CSP焊點溫振耦合分析結(jié)果

對CSP焊點三維有限元分析模型進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析后，保留分析結(jié)果以及網(wǎng)格劃分結(jié)果，繼續(xù)對PCB板四個底角施加全位移約束，并將模型熱-結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果作為預(yù)應(yīng)力施加到模型上作為隨機振動分析的初始載荷，進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)-隨機振動多物理場耦合分析。分析結(jié)果處理仍然采用范米塞斯等效應(yīng)力應(yīng)變描述焊點內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，得到溫振耦合條件下微尺度CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變有限元分析結(jié)果如圖6～圖9和表2所示，其中圖6所示為-55 ℃時CSP焊點陣列內(nèi)應(yīng)力分布；圖7所示為125 ℃時產(chǎn)生最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況分別；圖8所示為-55 ℃時產(chǎn)生最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況；圖9所示為CSP焊點陣列內(nèi)最大應(yīng)力應(yīng)變隨溫度變化趨勢圖。

圖6 -55 ℃溫振耦合微尺度CSP焊點陣列應(yīng)力分布情況

(a) 應(yīng)力分布云圖(b) 應(yīng)變分布云圖

圖7 125 ℃ CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

圖8 -55 ℃ CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

Fig.8 -55 ℃ Stress and strain distribution contours of CSP solder joint

從圖6可見，在外界溫度變化過程中，應(yīng)力在焊點陣列內(nèi)呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，最大應(yīng)力集中在陣列的最遠(yuǎn)角點處，從最遠(yuǎn)角點位置往陣列中心位置逐漸減小，并且最大應(yīng)力區(qū)域位于焊點陣列與PCB連接處的外邊緣側(cè)；由圖7和圖8知，當(dāng)外界環(huán)境溫度處于-55 ℃時，焊點的最大應(yīng)力最大為105 286 Pa，而當(dāng)外界環(huán)境溫度為125 ℃時，焊點的最大應(yīng)力最小為89 083 Pa，焊點在低溫時其內(nèi)部最大應(yīng)力要高于在高溫時的應(yīng)力；此外由圖9也可知隨著溫度的增加，焊點最大應(yīng)力呈減小趨勢，應(yīng)變呈增大趨勢。焊點內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生以上變化趨勢的原因在于：對于焊點內(nèi)的應(yīng)力而言，在熱循環(huán)由高溫+125 ℃降溫至-55 ℃時(可以理解為加載過程)，由于降溫過程的熱膨脹失配以及焊點在低溫時相對較高的彈性模量，使得焊點的應(yīng)力水平較高，最高應(yīng)力值達(dá)到最大，從而出現(xiàn)焊點在低溫時其內(nèi)部最大應(yīng)力要高于在高溫時的應(yīng)力的結(jié)果，反之，在熱循環(huán)由低溫-55 ℃升溫至高溫+125 ℃時(可以理解為卸載過程)，焊點內(nèi)最大應(yīng)力則會隨著溫度的增加呈減小趨勢，出現(xiàn)文中圖9所示的隨著溫度的增加，焊點最大應(yīng)力呈減小趨勢的結(jié)果，而與此同時對于焊點內(nèi)的應(yīng)變，由于隨機振動加載的存在和焊點彈性模量隨溫度上升而減小，使得焊點內(nèi)的變形呈現(xiàn)增大趨勢。

圖9 溫振耦合下CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變隨溫度變化趨勢圖

Fig.9 Trend chart of the change of CSP solder joint stress and strain by the change of temperature under thermal vibration coupling

表2 微尺度CSP焊點溫振耦合分析結(jié)果

1.5 常規(guī)尺寸CSP焊點溫振耦合分析結(jié)果

為對比分析微尺度CSP焊點與常規(guī)尺寸CSP焊點(此處常規(guī)尺寸CSP焊點定義為焊點直徑大于100 μm)在相同溫振耦合環(huán)境下焊點內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變，本文建立了常規(guī)尺寸CSP焊點有限元模型，選取常規(guī)尺寸CSP焊點直徑為200 μm，焊點高度為160 μm，焊盤直徑為150 μm，常規(guī)尺寸焊點模型中僅焊點尺寸增大，模型其余部分的尺寸參數(shù)均與微尺度CSP焊點有限元模型相同。對常規(guī)尺寸CSP焊點有限元模型進(jìn)行溫振耦合加載仿真分析，所得分析結(jié)果如圖10、圖11和表3所示。圖10所示為-55 ℃時產(chǎn)生最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，焊點的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變分別為45 195 Pa和1.28×10-6；圖11所示為溫振耦合環(huán)境下常規(guī)尺寸CSP焊點與微尺度CSP焊點應(yīng)力隨溫度變化結(jié)果對比圖，由圖11對比可知在相同溫振載荷下常規(guī)尺寸CSP焊點應(yīng)力小于微尺度CSP焊點應(yīng)力；表3所示為常規(guī)尺寸CSP焊點在不同溫度時溫振耦合應(yīng)力應(yīng)變值，由表3可知，在溫度-55 ℃時，焊點的應(yīng)力達(dá)到最大值45 194 Pa，應(yīng)變達(dá)到最小值0.128×10-5；在溫度125 ℃時，焊點的應(yīng)力達(dá)到最小值39 760 Pa，應(yīng)變達(dá)到最大值0.151×10-5，因此在溫度由125 ℃降溫至-55 ℃過程中常規(guī)尺寸CSP焊點的應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)變逐漸減下。

從以上分析可知：溫振耦合條件下，微尺度CSP焊點內(nèi)最大應(yīng)力應(yīng)變均大于常規(guī)尺寸CSP焊點內(nèi)的最大應(yīng)力應(yīng)變。

(a) 應(yīng)力分布云圖(b) 應(yīng)變分布云圖

圖10 -55 ℃常規(guī)尺寸CSP焊點溫振耦合應(yīng)力應(yīng)變分布

Fig.10 -55 ℃ Stress and strain distribution of regular-size CSP solder joint under thermal-vibration coupling environment

圖11 常規(guī)尺寸CSP焊點與微尺度CSP焊點溫振耦合應(yīng)力對比

Fig.11 Stress comparison between regular-size CSP solder and micro-size CSP solder joints under thermal-vibration coupling

2 材料參數(shù)與幾何參數(shù)對微尺度焊點應(yīng)力應(yīng)變影響分析

2.1 焊點材料對微尺度CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變影響

將微尺度CSP焊點焊盤直徑、焊點體積和焊點高度分別固定為75 μm，5.23×10-4mm3和80 μm，其它參數(shù)保持不變，在只改變焊點材料的條件下，研究焊點材料的變化對微尺度CSP焊點溫振耦合應(yīng)力應(yīng)變的影響。分別選取四種焊點材料為SAC305、SAC387、63Sn37Pb和62Sn36Pb2Ag，建立相應(yīng)的有限元分析模型并進(jìn)行溫振耦合加載仿真分析，研究焊點材料的變化對微尺度CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變的影響,焊點材料參數(shù)如表4所示。

表3 常規(guī)尺寸CSP焊點溫振耦合分析結(jié)果

表4 不同焊點材料參數(shù)

有限元分析結(jié)果如圖12和表4所示。圖12所示為環(huán)境溫度-55 ℃時不同焊點材料的微尺度CSP焊點內(nèi)應(yīng)力分布情況，應(yīng)力在焊點中呈現(xiàn)分布不均勻分布狀態(tài)，在不同材料的CSP焊點中應(yīng)力呈現(xiàn)的分布規(guī)律基本一致；從表5所示應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)可以看出，在四種材料中采用無鉛焊料SAC387的微尺度CSP焊點內(nèi)的最大應(yīng)力最大，采用有鉛焊料63Sn37Pb的焊點內(nèi)的最大應(yīng)力最小。

(a) 63Sn37Pb應(yīng)力云圖(b) 62Sn36Pb2Ag應(yīng)力云圖(c) SAC305應(yīng)力云圖(d) SAC387應(yīng)力云圖

圖12 不同材料微尺度CSP焊點應(yīng)力云圖

Fig.12 Stress distribution contours of CSP solder joints with different material

此外，對比兩種有鉛焊料(63Sn37Pb和62Sn36Pb2Ag)與兩種無鉛焊料(SAC305和SAC387)焊點內(nèi)的最大應(yīng)力可知，無鉛微尺度CSP焊點的最大應(yīng)力均大于有鉛焊點。

表5不同焊料微CSP焊點溫振耦合分析結(jié)果

Tab.5AnalysisofCSPsolderjointswithdifferentmaterialunderthermal-vibrationcoupling

焊點材料最大等效應(yīng)力σ/Pa最大等效應(yīng)變ε×10-563Sn37Pb77 7430.24962Sn36Pb2Ag98 6130.317SAC305105 2860.300SAC387120 0360.266

2.2 焊點體積對微尺度CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變影響

將微尺度CSP焊點焊盤直徑和焊點高度分別固定為75 μm和80 μm，焊點材料選用SAC387，改變微尺度CSP焊點體積，將焊點體積分別選取為6.06×10-4mm3，5.23×10-4mm3，4.49×10-4mm3，3.81×10-4mm3，3.21×10-4mm3和2.68×10-4mm3(最大徑向直徑近似為105 μm，100 μm，95 μm，90 μm，85 μm和80 μm)，建立相應(yīng)的有限元分析模型并進(jìn)行溫振耦合加載仿真分析，研究微尺度CSP焊點體積的變化對焊點應(yīng)力應(yīng)變的影響，所得有限元分析結(jié)果如圖13和表6所示。圖13所示為不同焊點體積產(chǎn)生最大應(yīng)力焊點內(nèi)的應(yīng)力分布情況分別如圖13(a)～圖13(f)所示，應(yīng)力在焊點中呈現(xiàn)分布不均勻分布狀態(tài)，在不同體積的焊點中應(yīng)力呈現(xiàn)的分布規(guī)律基本一致；從表5所示應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，隨著微尺度CSP焊點體積的增加，焊點內(nèi)的最大應(yīng)力應(yīng)變均隨之相應(yīng)增大，最大應(yīng)力應(yīng)變從焊點體積為2.68×10-4mm3時的110 534 Pa和0.245×10-5增大到焊點體積為6.06×10-4mm3的122 662 Pa和0.273×10-5，由此可見，其他參數(shù)不變，在焊點直徑不大于110 μm前提下，僅改變微尺度CSP焊點體積，微尺度CSP焊點在溫振耦合加載條件下焊點中的應(yīng)力隨焊點體積的增大而增大。微尺度CSP焊點體積的增大不利于提高焊點的溫振耦合疲勞壽命。

2.3 焊盤直徑對微尺度CSP焊點應(yīng)力應(yīng)變影響

將微尺度CSP焊點體積和焊點高度分別固定為5.23×10-4mm3和80 μm，焊點材料選用SAC387，改變微尺度CSP焊點焊盤直徑，將焊盤直徑分別選取為85 μm，80 μm，75 μm，70 μm，65 μm和60 μm，建立相

(a) 105 μm應(yīng)力分布云圖(b) 100 μm應(yīng)力分布云圖(c) 95 μm應(yīng)力分布云圖(d) 90 μm應(yīng)力分布云圖(e) 85 μm應(yīng)力分布云圖(f) 80 μm應(yīng)力分布云圖

圖13 不同體積微尺度CSP焊點應(yīng)力分布云圖

Fig.13 Stress and strain distribution contours of CSP solder joints with different volume

表6不同體積微尺度CSP焊點溫振耦合分析結(jié)果

Tab.6AnalysisofCSPsolderjointswithdifferentvolumeunderthermal-vibrationcoupling

參數(shù)焊點體積×10-4/mm-3最大應(yīng)力σ/Pa最大應(yīng)變ε×10-5數(shù)值6.06122 6620.2735.23120 0360.2664.49117 5820.2603.81115 1030.2553.21112 7790.2502.68110 5340.245

應(yīng)的有限元分析模型并進(jìn)行溫振耦合加載仿真分析，研究微尺度CSP焊點焊盤直徑的變化對焊點應(yīng)力應(yīng)變的影響，所得有限元分析結(jié)果如圖14和表7所示。圖14所示為不同焊盤直徑產(chǎn)生最大應(yīng)力焊點內(nèi)的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力在焊點中呈現(xiàn)分布不均勻分布狀態(tài)，在不同焊盤直徑的焊點中應(yīng)力呈現(xiàn)的分布規(guī)律基本一致；從表6中所示應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，隨著微尺度CSP焊點焊盤直徑的增加，焊點內(nèi)的最大應(yīng)力應(yīng)變均隨之相應(yīng)減小，最大應(yīng)力應(yīng)變從焊盤直徑為85 μm時的102 431 Pa和0.226×10-5增大到焊盤直徑為60 μm的153 875 Pa和0.341×10-5，因此對于微尺度CSP焊點而言，適當(dāng)增加焊盤直徑有利于減小焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變。

(a) 85 μm應(yīng)力分布云圖(b) 80 μm應(yīng)力分布云圖(c) 75 μm應(yīng)力分布云圖(d) 70 μm應(yīng)力分布云圖(e) 65 μm應(yīng)力分布云圖(f) 60 μm應(yīng)力分布云圖

圖14 不同焊盤直徑微尺度CSP焊點應(yīng)力云圖

Fig.14 Stress and strain distribution contours of CSP solder joints with different pad diameter

表7不同焊盤直徑微尺度CSP焊點溫振耦合分析結(jié)果

Tab.7AnalysisofCSPsolderjointswithdifferentpaddiameterunderthermal-vibrationcoupling

參數(shù)焊盤直徑/μm最大應(yīng)力/Pa最大應(yīng)變ε×10-5數(shù)值85102 4310.22680110 5440.24475120 0360.26670129 8270.28765141 2350.31360153 8750.341

3 結(jié) 論

通過CSP焊點模型進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合和溫振耦合有限元應(yīng)力應(yīng)變分析，得出以下結(jié)論：

(1)溫-振耦合環(huán)境下，隨著溫度的升高，微尺度CSP焊點最大應(yīng)力逐漸減小，最大應(yīng)變隨著溫度的升高而增大；最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)在焊點陣列的拐角處，且位于焊點與PCB板連接處；通過比較常規(guī)尺寸CSP焊點與微尺度CSP焊點的最大應(yīng)力應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，前者比后者低。

(2)對于SAC305、SAC387、63Sn37Pb和62Sn36Pb2Ag四種焊料，其他條件相同條件下采用63Sn37Pb 焊料的微尺度CSP焊點內(nèi)的最大應(yīng)力應(yīng)變最小，采用無鉛焊料SAC387焊料的微尺度CSP焊點內(nèi)的最大應(yīng)力應(yīng)變最大。

(3)在其它參數(shù)不變情況下，僅改變焊點體積，隨著焊點體積的增大，微尺度CSP焊點最大應(yīng)力應(yīng)變相應(yīng)增大。

(4)在其它參數(shù)不變情況下，僅改變焊盤直徑，隨著焊盤直徑的增大，微尺度CSP焊點的最大應(yīng)力應(yīng)變相應(yīng)減小，說明在相同條件下，增大焊盤直徑有利于減小微尺度CSP焊點的應(yīng)力應(yīng)變。