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        片式元件與基板間隙對(duì)SnAgCu系無(wú)鉛焊點(diǎn)的應(yīng)力分析

        2010-04-20 07:26:38
        電子與封裝 2010年3期
        關(guān)鍵詞:釬料釬焊焊點(diǎn)

        楊 潔

        (南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院,南京 210046)

        1 前言

        現(xiàn)代表面組裝技術(shù)(SMT)的焊點(diǎn)既承擔(dān)電氣連接又承擔(dān)機(jī)械連接,在服役過程中被連接的芯片載體與基板的熱膨脹系數(shù)(CET)不匹配及焊點(diǎn)承受溫度循環(huán)等問題,將引起焊點(diǎn)產(chǎn)生疲勞破壞并進(jìn)而導(dǎo)致器件整體的失效[1,2]。因此,電子器件微連接焊點(diǎn)可靠性已成為電子組裝及封裝中亟待解決的熱點(diǎn)問題之一。SMT焊點(diǎn)可靠性的研究表明[3],焊點(diǎn)的幾何形態(tài)是影響焊點(diǎn)可靠性的重要因素之一,其中元件與基板間隙的影響尤為突出,會(huì)影響焊點(diǎn)在熱循環(huán)條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布,從而影響焊點(diǎn)的熱循環(huán)壽命。目前,采用有限元法(FEM)評(píng)價(jià)焊點(diǎn)可靠性和進(jìn)行理論研究受到了廣泛的關(guān)注。

        表面安裝無(wú)源元件(SMC)是SMT中的主要貼裝元件。本文就以S M C中的矩形片式電阻器RC1206為元件,采用非線性有限元方法對(duì)該元件的Sn-2.5Ag-0.7Cu釬料的三維焊點(diǎn)在受交變熱作用時(shí)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了模擬。

        2 有限元模型建立

        本文采用數(shù)學(xué)分析方法對(duì)片式元件的形態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)[3],根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及片式元件接頭的結(jié)構(gòu)特征,用ANSYS建立了三維有限元模型。

        2.1 模型的建立

        為得到較符合焊點(diǎn)實(shí)際的焊點(diǎn)形態(tài),在模型中做如下假設(shè):

        (1)釬料內(nèi)部無(wú)缺陷,各向同性;

        (2)忽略基板上焊盤導(dǎo)體的厚度(與添加的釬料的厚度相比很?。?,將基板與導(dǎo)體視為一體;

        (3)元件金屬化端與焊盤無(wú)氧化物,并與釬料理想潤(rùn)濕,忽略焊接時(shí)溫度場(chǎng)變化對(duì)接頭成形的影響;

        (4)由于釬料量很少,忽略重力對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)的影響,只考慮表面張力的作用。

        圖1為典型的片式元件釬焊接頭的剖面示意圖,其中PCB為印制電路板。文獻(xiàn)[4]指出,隨著釬焊時(shí)間的增加,釬料與Cu基金屬的接觸角逐漸減小,最后趨于靜態(tài)平衡時(shí)的接觸角為12°。表面組裝的釬焊時(shí)間基本上保證釬料在開始冷卻前達(dá)到靜態(tài)平衡,因此本文在進(jìn)行焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)時(shí),取潤(rùn)濕角υ1=υ2=12°。對(duì)于焊點(diǎn)的幾何參數(shù),焊點(diǎn)高度h=0.5mm,焊盤半徑l=0.7mm。對(duì)于RC1206元件,其外形尺寸為3.2 mm×1.6 mm×0.6mm,其中高度H=0.6mm,PCB伸出長(zhǎng)度L=1.1mm。根據(jù)施加載荷和幾何形狀的對(duì)稱性,建立了1/2的有限元模型。焊點(diǎn)力學(xué)分析模型由三部分組成:元件、焊點(diǎn)和基板。元件和基板模擬為長(zhǎng)四面體,通過自點(diǎn)到體的方法建模,并與焊點(diǎn)膠合為統(tǒng)一焊點(diǎn)力學(xué)分析模型。網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格,能夠防止四邊形網(wǎng)格在某些部位的網(wǎng)格畸變,影響計(jì)算結(jié)果精確性。此外,為增加計(jì)算結(jié)果的精確性,焊點(diǎn)處的網(wǎng)格密度要大于元件和基板處。圖2為RC1206焊點(diǎn)的有限元網(wǎng)格示意圖。由于假設(shè)焊點(diǎn)各處過渡均勻,因此,取垂直于元件和基板的剖面進(jìn)行分析更為方便且不影響結(jié)果的精確性,其剖面圖如圖1所示。

        圖1 SMT焊點(diǎn)剖面示意圖

        圖2 RC1206焊點(diǎn)有限元網(wǎng)格劃分圖

        2.2 材料模式的選擇

        假定元件與基板的材料特性為線彈性,無(wú)鉛釬料則選用雙線性等向強(qiáng)化的塑性材料模式[5],材料特性參數(shù)見表1。

        表1 材料特性參數(shù)

        2.3 邊界條件及加載

        由于建立的是1/2有限元模型,在中心線上應(yīng)加一對(duì)稱邊界。此外,該模型還應(yīng)滿足以下邊界條件:

        (1)樹脂基板:垂直方向無(wú)應(yīng)變,σγ=0;

        (2)片式元件:垂直方向無(wú)應(yīng)變?chǔ)姚?0;中心線O-O’、σx=0、σy=0;

        (3)釬料:自由表面。

        3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

        在機(jī)械結(jié)構(gòu)釬焊接頭中,具有較大的搭接面積,間隙的影響主要通過釬料被合金化的程度而起作用。而在片式元件軟釬焊接頭中,由于主要是附著釬焊的形式,因此可以認(rèn)為元件與基板之間的高度間隙是通過影響接頭形態(tài)而對(duì)接頭性能起作用[8]。

        分別對(duì)間隙高度d為0、0.1mm、0.2mm的焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行模擬,各剖面的等效應(yīng)力分布如圖3所示。圖3表明,釬料與元件的交界面處的應(yīng)力值普遍較大,這是由于釬料與陶瓷的熱膨脹系數(shù)匹配性較差所致。這一結(jié)果與實(shí)際接頭的斷裂位置相符[9]。另外,釬焊接頭在熱交變作用下,釬焊接合部位的應(yīng)力值較大,主要分布在元件底部拐角處(Ⅲ)、焊根的頂部(Ⅳ)和底部(Ⅴ)及焊趾頂部(Ⅰ)和底部(Ⅱ)。圖4是釬焊接頭應(yīng)力分布情況的示意圖,其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ區(qū)的主應(yīng)力遠(yuǎn)大于Ⅱ區(qū)的主應(yīng)力,因此,主要以Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ區(qū)的主應(yīng)力作為接頭應(yīng)力分布是否合理的判據(jù)依據(jù)[8]。

        圖3 焊點(diǎn)等效應(yīng)力分布圖

        圖3可根據(jù)各區(qū)域的顏色來分析焊點(diǎn)的等效應(yīng)力分布情況,以圖3(a)為例,各顏色代表的應(yīng)力范圍如圖上的標(biāo)尺所示。等效應(yīng)力并不是一個(gè)真實(shí)存在的力,而是為了研究分析,將剪切力取絕對(duì)值,并乘以一個(gè)系數(shù),得到的一個(gè)不變量,用于描述應(yīng)力大致的分布狀態(tài)。由圖3(a)可以看出,應(yīng)力集中分布在焊點(diǎn)部位,基板和元件的大部分受熱循環(huán)的影響不大,因而均處于低應(yīng)力狀態(tài)。焊點(diǎn)應(yīng)力的范圍為0.230×108N~0.276×108N,在焊點(diǎn)服役過程中所承載的應(yīng)力范圍之內(nèi)(與焊點(diǎn)服役過程中所承載的應(yīng)力范圍基本相符)。圖3中應(yīng)力值為0.368×108N~0.414×108N的部分,主要分布在焊點(diǎn)與元件的交界面上,特別是焊趾頂部(Ⅰ)和底部拐角處(Ⅲ)。由于間隙d=0,焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力得不到及時(shí)的釋放,因此Ⅲ處的應(yīng)力尤為突出,并進(jìn)而影響到焊點(diǎn)附近元件內(nèi)部的應(yīng)力分布。隨著d值的逐漸增大,釬焊接頭的應(yīng)力大小及分布氛圍都逐漸減小。當(dāng)d=0.1mm時(shí),Ⅰ處的應(yīng)力值減小,圖3(a)中的最大應(yīng)力分布區(qū)(底部拐角處)也分散到三個(gè)部位,即Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,有效緩解了應(yīng)力集中情況。當(dāng)d=0.2mm時(shí),接頭內(nèi)部的的應(yīng)力分布得到了明顯的改善,Ⅰ、Ⅱ區(qū)的應(yīng)力值明顯減小,在0.46×107N以下,Ⅳ、Ⅴ區(qū)的應(yīng)力也由0.3×108N左右降低到0.920×107N。Ⅲ區(qū)的應(yīng)力最大,與圖3(a)、(b)中的最大應(yīng)力的數(shù)值基本相等,但應(yīng)力影響的范圍則明顯減小。

        可見,在實(shí)際中適當(dāng)增大間隙高度有利于改善焊點(diǎn)的應(yīng)力分布情況。為計(jì)算和比較不同高度間隙對(duì)接頭應(yīng)力分布情況的影響,本文還對(duì)間隙高度為0.3mm、0.4mm的接頭進(jìn)行了計(jì)算,以各區(qū)的最大應(yīng)力為計(jì)算依據(jù),圖5是計(jì)算結(jié)果。由圖可以看出,當(dāng)d發(fā)生變化時(shí),焊點(diǎn)內(nèi)部各區(qū)應(yīng)力的分布情況沒有發(fā)生明顯變化,但是隨著d值由小到大的增加,存在著一個(gè)應(yīng)力條件比較好的d值區(qū)間,在這個(gè)區(qū)間外部,不論d值增大或減小,各區(qū)的最大應(yīng)力均有所提高。另外,雖然現(xiàn)代電子產(chǎn)品微型化的趨勢(shì)理論上要求間隙高度越小越好,但是間隙高度的減小,會(huì)造成區(qū)域Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ連成一片,成為接頭脆弱區(qū),所以高度間隙不易過小。因此,對(duì)于片式阻容元件釬焊接頭,d取0.1mm~0.2mm比較好,其中0.2mm最優(yōu)。這與圖3的模擬結(jié)果一致。

        圖4 SMT軟焊點(diǎn)的應(yīng)力分布情況示意圖

        圖5 d值對(duì)接頭應(yīng)力分布的影響

        4 結(jié)論

        SMT焊點(diǎn)元件與基板間隙高度對(duì)無(wú)鉛釬料焊點(diǎn)的等效應(yīng)力分布情況有一定的影響,存在高度間隙的最佳范圍。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),當(dāng)間隙高度處在0.1mm~0.2mm范圍內(nèi)時(shí),焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況較好,平均應(yīng)力值較小,應(yīng)力集中情況相對(duì)緩和,一般取0.2mm最優(yōu)。

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