基于ANSYS/LS-DYNA板級焊點跌落分析

周嘉誠，劉 芳

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基于ANSYS/LS-DYNA板級焊點跌落分析

周嘉誠，劉 芳

（武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

研究了不同跌落條件對板級焊點跌落時的應(yīng)力變化影響。運用有限元軟件ANSYS 的LS-DYNA模塊對電路板組件進行建模與跌落分析，比較不同跌落高度和不同剛性跌落面下板級焊點的應(yīng)力變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn):通過LS-DYNA模塊對電路板組件進行跌落仿真，能更加真實地反映出電路板組件的跌落情況。跌落后焊點的應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在焊點與靠近封裝一側(cè)的接觸面邊緣處，且跌落高度越高，焊點的最大應(yīng)力值越大;接觸面材料剛性越大，焊點應(yīng)力分布越大，焊點越容易失效。

LS-DYNA；焊點；跌落；應(yīng)力；剛性；失效

近年來隨著電子科技的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品朝向小型化便攜式的趨勢愈加明顯。電子設(shè)備尺寸與厚度的減小，對芯片封裝的要求越來越高。而且，便攜式電子產(chǎn)品在運輸和使用的過程中容易發(fā)生跌落，使得芯片封裝焊點承受相當(dāng)?shù)膽?yīng)力應(yīng)變，對電子產(chǎn)品的可靠性帶來了極大考驗。

目前已有許多學(xué)者開展了板級跌落實驗研究。在力學(xué)方面，基于JEDEC標(biāo)準(zhǔn)研究板級跌落焊點的失效機理[1-2]，評估BGA（Ball Grid Array）焊點疲勞的壽命[3-4]，進行焊點應(yīng)力分析[5]等。在材料方面，銀含量對無鉛焊點失效模式影響研究[6]，摻雜Mn對改善SAC焊點可靠性的實驗[7]等。部分學(xué)者在焊點形狀和接觸上進行了研究[8]，探究焊點的不同形狀對BGA封裝跌落可靠性的影響[9]，不同接觸面對其失效的影響[10]。

電子設(shè)備跌落測試的周期偏長，成本過高，實驗可重復(fù)性差，而跌落仿真恰好可以彌補實驗過程中的不足。但是目前利用軟件仿真大多在電路板上施加實驗測試的加速度，從而模擬跌落沖擊。本文則通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模塊對電路板組件進行跌落仿真，該方式能夠更好地模擬出電路板組件的真實跌落情況，分析電路板在重力加速度下的焊點應(yīng)力分布，并與已知實驗結(jié)果對比，找到焊點跌落時候的危險區(qū)域。比較了不同跌落高度下板級焊點的最大應(yīng)力變化，探討了跌落時不同剛性的接觸面對板級焊點的應(yīng)力分布影響。

1 有限元模型

本文分析對象為便攜式電子設(shè)備中的電路板組件。選擇建模的電路板尺寸是88mm×94mm×1 mm[11]。為了簡化有限元模型，縮短計算時間，設(shè)計單獨一塊電路板組件進行跌落仿真測試。電路板上有四塊球柵陣列封裝形式的芯片，單個芯片BGA封裝焊點陣列為3×4。電路板組件主要由BGA封裝（Package）、阻焊層（Solder Mask，簡稱SM）、芯片（Sub-core）、無鉛焊料、Cu焊盤（Copper）、PCB六部分組成。電路板組件的有限元模型如圖1所示。電路板組件側(cè)面視圖如圖2所示。在實際測試中電路板組件由在角上的四個螺栓固定在跌落實驗臺上。

圖1 電路板組件

圖2 焊點側(cè)面圖

焊點（96.5Sn3.0Ag0.5Cu）總數(shù)量為48，焊球尺寸為360 μm，焊盤尺寸350 μm。具體的材料參數(shù)和焊點尺寸如表1、表2和圖3所示。該有限元模型采用ANSYS/LS-DYNA模塊中特有的3D SOLID164單元對模型進行網(wǎng)格劃分。3D SOLID164是具有8節(jié)點的3維的顯式結(jié)構(gòu)實體，且該單元只能用于顯示動力學(xué)計算。模型劃分的網(wǎng)格質(zhì)量不僅關(guān)系到有限元計算的效率，而且關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[12]。網(wǎng)格劃分后，模型共生成474 929個單元，98 925個節(jié)點。單個焊點的網(wǎng)格劃分有限元模型如圖4所示[13]。

表1 焊點尺寸

注：為直徑；為厚度。

表2 焊點材料參數(shù)

注：為彈性膜量；為泊松比；為密度。

圖3 焊點尺寸和材料參數(shù)

圖4 焊點有限元模型

2 跌落仿真分析

對上述電路板組件在ANSYS LS-DYNA模塊中進行跌落仿真，該瞬態(tài)動力學(xué)分析屬于顯式動力學(xué)分析范疇。

2.1 跌落焊點的應(yīng)力分析

首先設(shè)置跌落高度為1 m，加速度為自由落體重力加速度1 g，接觸面為地面，接觸時間為0.06 s。經(jīng)過計算，任意時刻的等效應(yīng)力的最大值均集中在焊球上[15]，且從電路板組件靠近地面時開始進行計算。通過觀察跌落過程中焊點最大應(yīng)力變化圖圖5可以看出，焊點的最大應(yīng)力在跌落后的0.000 44 s時出現(xiàn)峰值。跌落后的BGA焊點應(yīng)力圖如圖6所示，單個焊點最大應(yīng)力如圖7所示。從電路板組件整體焊點應(yīng)力分布可知，跌落后板級焊點的最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊球靠近芯片封裝一側(cè)，且出現(xiàn)在封裝接觸面的邊緣處。這與已有跌落實驗發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致[1]：跌落時，焊點失效部位位于焊球與封裝連接的接觸面邊緣。

圖5 跌落焊點應(yīng)力變化圖

圖6 電路板整體焊點應(yīng)力圖

圖7 單個焊點應(yīng)力圖

2.2 不同跌落條件下焊點的應(yīng)力變化

為了比較不同跌落條件對焊點可靠性的影響，選擇改變跌落的高度和跌落面，開展跌落仿真。

2.2.1 改變跌落高度焊點跌落仿真

選擇800，1000，1200 mm三種高度進行跌落仿真。800，1000，1200 mm三種高度下焊點跌落的最大應(yīng)力值分別為31.89，37.33，52.27 MPa。根據(jù)無鉛材料的機械性能可知，焊點SAC的抗拉強度為48.5 MPa。因此，在800 mm和1000 mm的跌落高度中，電路板焊點沒有超過其抗拉強度，焊點安全；在1200 mm的跌落高度中，電路板焊點超過其抗拉強度，故該高度下跌落焊點很快失效。

2.2.2 改變跌落接觸面焊點跌落仿真

在相同跌落高度條件下（均選擇1000 mm），改變跌落面材料剛性，進行跌落仿真。根據(jù)LS-DYNA中DTM模塊設(shè)定跌落面的材料屬性。跌落面材料屬性如表3所示[16]。

表3 跌落目標(biāo)面的材料參數(shù)

不同接觸面進行跌落仿真，跌落焊點整體的應(yīng)力分布如圖8所示。

(a) 鋁板接觸面

(b) 水泥地接觸面

圖8 焊點在兩種接觸面下的應(yīng)力分布

Fig.8 Stress distribution of the solder joints on different contact surfaces

比較上述仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其他跌落條件相同情況下，接觸面為水泥地時焊點應(yīng)力分布比接觸面為鋁板時要大。這是由于水泥地的彈性模量相比于鋁板要小很多，因此電路板組件跌落時在接觸作用時間上會有差異，電路板組件接觸到水泥地面的作用時間較長，相應(yīng)的應(yīng)力分布則會更加分散[16]。這與采用緩沖包裝的原理一致，也從側(cè)面說明了緩沖包裝對保護電子產(chǎn)品的重要性。

3 結(jié)論

利用有限元軟件對電路板組件焊點進行不同跌落高度和接觸面的跌落分析，得出以下結(jié)論：（1）跌落過程中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在焊點與靠近封裝一側(cè)的接觸面邊緣處。結(jié)合已知實驗結(jié)果，可以判斷在跌落過程中，焊點的最危險位置是焊點與封裝接觸的邊緣處。（2）比較不同高度下焊點跌落的最大應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)跌落高度越大，焊點最大應(yīng)力值越大，焊點失效越快。（3）當(dāng)接觸面為水泥地時，跌落焊點的整體應(yīng)力分布比接觸面為鋁板更分散。因此接觸面剛度越大，跌落焊點應(yīng)力分布越大，焊點越容易失效。

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（責(zé)任編輯：陳渝生）

Drop analysis of board level solder joints based on ANSYS/LS-DYNA

ZHOU Jiacheng, LIU Fang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China)

In order to study the influence of stress variation on the board level solder joints under different drop loads, ANSYS LS-DYNA was adopted to analyze the dynamics responses of the PCB assembly. Under different heights and different stiff targeted surface of dropping, the stress concentration area of the solder joints appeared near the interface between the BGA package and pads. The higher the height is, the bigger the stress value is. The bigger the stiffness of the targeted surface and the distribution of the stress are, the easier the solder joint failure is.

LS-DYNA; solder joints; drop; stress; stiffness; failure

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.014

TN306

A

1001-2028（2018）02-0075-04

國家自然科學(xué)基金項目資助（51775388）；湖北省教育廳科學(xué)研究計劃青年人才項目資助（Q20141608)

2017-11-12

周嘉誠

劉芳（1976－），女，湖北荊州人，副教授，博士后，研究方向為振動沖擊分析；周嘉誠（1992－），男，湖北武漢人，研究生，方向為電路板可靠性研究。