BGA几何建模对仿真分析结果的影响研究.pdf

2023 年 8 月 强 度 与 环 境 Aug.2023 第 50 卷第 4 期 STRUCTURE&ENVIRONMENT ENGINEERING Vol.50 No.4 收稿日期：2023-03-09；修回日期：2023-05-29 作者简介：葛光亚（1996-），男，硕士，（100076）北京 9200 信箱 72 分箱.BGA几何建模对仿真分析结果的影响研究 葛光亚 胡彦平 陈津虎 马思鹏（北京强度环境研究所，北京 100076）摘要：有限元分析是研究 BGA 封装焊点可靠性以及疲劳寿命的主要手段，由于焊点密集，通常需要通过简化模型进行计算。本文分别以球形、柱状及混合型三种焊点形状建立了含有 BGA 封装的电路板有限元模型，对比分析了三种焊点模型下含 BGA 封装的电路板的模态特性、随机振动响应、疲劳寿命计算结果，结果表明柱状焊点可有效提高计算效率，球状焊点最接近真实情况，混合型焊点具有代替球形焊点的可行性。关键词：BGA焊点；有限元分析；随机振动；疲劳寿命 中图分类号：V416.3 文献标识码：A 文章编号：1006-3919(2023)04-0008-07 DOI：10.19447/ki.11-1773/v.2023.04.002 Study on the Influence of BGA Solder Joint Modeling on Finite Element Simulation GE Guangya HU Yanping CHEN Jinhu MA Sipeng(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing 100076,China)Abstract:Finite element analysis is the main method to study the reliability and fatigue life of BGA solder joints.Due to the high density of solder joints,it is usually necessary to simplify the model for calculation.In this paper,three finite element models of spherical,columnar,and mixed-type were established,The modal characteristics,random vibration response and fatigue life calculation results of BGA encapsulated circuit boards under three solder joint models were compared and analyzed.The results show that,The columnar solder joints can effectively improve the calculation efficiency,spherical solder joints are closest to the real situation,mixed-type solder joints is feasible to replace spherical solder joints.Key Words:BGA solder joint;finite element analysis;random vibration;fatigue life 0 引言 航天电子产品需要承受高强度机械应力、热应力、射线辐射应力、电应力等苛刻的环境条件，其可靠性问题一直是研究重点。电子产品小型化集成化是大势所趋，可靠性要求也越来越高，据统计电子产品故障的 70%为电子封装失效引起，焊点失效是电子封装失效的主要原因。因此电子封装、焊点的可靠性问题是航天电子产品可靠性问题的重中之重1。球栅阵列（BGA，Ball Grid Array）封装作为一种高密度、高可靠性的电子封装形式，广泛应用于电子产品中。BGA 封装中焊点的应力和变形等问题越来越引起人们的关注。针对如何提高 BGA 封装的可靠性的问题，主要有两种方法，一种是可靠性强化试验，另一种就是有限元仿真分析。第一种方法由于耗时长，成本高，因此迫切需要通过有限元方法缩短时间、降低成本。国内外学者也开展了大量研究：Sidharth 等人基于Surface Evolver 软件实现对 BGA 焊点尺寸与焊点质量的自动化调节参数程序，并连接到ANSYS 软件进行有限元仿真计算，得到在温度循环条件下，焊点尺寸与焊点质量对于可靠性的第 50 卷第 4 期 葛光亚等 BGA 几何建模对仿真分析结果的影响研究 9 影响2。路佳同样也使用了 Surface Evolver 软件得到不同形态 BGA 焊点在热循环条件下的应力应变分布特征，证明了有限元分析在焊点可靠性研究中是一种有效的技术途径3。Shi 等人通过有限元分析方法及实验验证得到了 BGA 边角焊点的热循环可靠性，指出热膨胀系数高及弹性模量低的粘合剂会降低热疲劳寿命4。Jayesh 通过有限元仿真验证了在随机振动条件下，BGA 封装首先在拐角焊球处发生失效，并证明了SnCuNiAg焊料代替 SnPb焊料的可行性5。童军等人通过有限元方法计算分析，确认了温循载荷下电路板焊点的最大蠕变应变发生在引线边角焊点的上表面处，并使用应变疲劳模型对结构寿命进行评估，结果表明该寿命模型可以很好地预测结构的疲劳寿命6。杨雪霞等人建立三种不同BGA 焊点形状的板级电子封装，分析其在跌落冲击载荷下的可靠性，结果表明，沙漏形焊点具有较好的抗跌落碰撞性能7。在 BGA 封装的有限元分析中，焊点模型的建立非常关键，当前焊点模型主要有圆柱状、球形、沙漏形等几种，由于 BGA 封装实际为球形焊点，沙漏形焊点不具备实际意义，因此也不能起到简化焊点模型的作用，本文主要考虑柱状与球形焊点进行有限元仿真的情况，因此本文通过比较圆柱形、球型与中间焊点为柱形边角焊点为球形的混合型焊点三种焊点模型下 BGA 封装仿真时间和结果的差异性，探讨焊点模型对 BGA 封装有限元仿真结果的影响，验证使用柱状焊点代替球形焊点进行有限元计算的可行性。1 BGA 封装焊点模型建立 1.1 几何建模与材料参数设置 本文的研究对象为 90mm90mm1.5mm 的典型 BGA 封装电路板，主要由 1616 个焊点的BGA 封装、LQFP 封装、电源插口、输出插口、LED 灯以及电容电阻组成。该电路板的实物图如图 1 所示。其中主要研究对象 BGA 封装的器件结构如图 2 所示，其中焊点高度为 0.4mm，直径为 0.5mm，焊锡高度为 0.12mm，Cu焊盘高度为 35um。器件在常温（20）下的材料参数情况如表 1 所示。图 1 PCB 板实物图 Fig.1 Physical picture of PCB board 图 2 BGA焊点结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of BGA solder joint structure.表 1 PCB 板材料参数表 Table 1 PCB Material Parameter 器件 材料 弹性模量/GPa 泊松比 密度/（kg/m）热膨胀系数/（10-5）基板 BT 17.9 0.25 1770 1.5 焊盘 Cu 117 0.34 8940 1.7 焊球 SAC305 70 0.33 7400 2.8 焊锡 Sn63Pb37 43 0.36 7820 2.5 PCB板 FR4 7.92 0.28 1800 6.8 10 强 度 与 环 境 2023 年 利用 ABAQUS 软件进行建模，由于主要研究对象为 BGA 封装，所以对 BGA 封装部分进行精细化建模，忽略电路板上质量小于 0.2g 的器件，将质量较大的器件等效成质量块，对于BGA 封装的芯片，使用球形与圆柱状焊点分别建模，单个焊点的模型如图 3所示。图 3 BGA柱状焊点与球形焊点的剖视图 Fig.3 Cross-sectional view of BGA columnar solder joint and spherical solder joint.1.2 网格划分 根据文献8可知，在 BGA 封装受到随机振动条件下，其薄弱环节的位置基本发生在边角焊点处，因此，主要研究对象为边角处焊球。由于单元节点输出的应力应变值是通过高斯积分点插值获得的，单元数量较少会导致仿真结果精确度下降，单元数量过多又会导致计算时间过长，增加计算机的负担，所以为了既保证仿真的结果精度，又节省计算时间，必须考虑单元层数对结果有效性的影响。因此，先建立边角焊点层数不同的焊球，计算环境温度从室温 20升温至 50时，由于热膨胀系数不匹配而产生的温度预应力。考虑到后续计算提取的为沿电路板厚度方向的应力应变值，本文仅增加厚度方向的网格，结果如表 2所示。表 2 边角焊球温度预应力与单元层数的关系 Table 2 The relationship between the temperature pre-stress of the corner solder ball and the number of unit layers 单元层数 5 6 7 8 最大应力值/MPa 23.8 24.4 25.8 26.0 由表 2可知，当单元层数为 7 层时，最大应力值与单元层数为 8层时近似相等，为保证结果精度，同时尽量缩短计算时间，将边角焊点网格层数设置为 7 层（图 4）。分别建立 256 个球形焊点，256 个圆柱状焊点以及边角处为球形焊点中间为圆柱状焊点的混合型焊点 BGA 芯片封装（图 5图 7）。对于单个焊点来说，柱状焊点相较于球形焊点具有形状规整，易于划分网格的优势，当电路板整体建模时，使用圆柱状焊点进行有限元建模可以有效提高几何建模与网格划分效率。图 4 BGA柱状焊点与球形焊点的网格划分 Fig.4 Mesh division of BGA columnar solder joint and spherical solder joint 图 5 256 个球形 BGA焊点模型 Fig.5 256 spherical BGA solder joints model 图 6 256 个柱形 BGA焊点模型 Fig.6 256 columnar BGA solder joints model 图 7 BGA焊点模型（中间为柱形，边角为球形）Fig.7 BGA solder joints model with columnar centers and spherical edges 第 50 卷第 4 期 葛光亚等 BGA几何建模对仿真分析结果的影响研究 11 为了降低网格数量差异对计算时间与结果的影响，对三种模型进行网格划分时，网格数量保持一致。最终得到整个 PCB 板的有限元模型，由 112728 个六面体单元组成。图 8 整体有限元模型 Fig.8 Finite element model of the whole structure 1.3 边界条件 根据试验情况，模型均采用四角螺丝孔固支，环境温度为常温 20。2 PCB板摸态分析及频率测量 在 ABAQUS 中的固有频率提取包括两类基本方法，一种是用于求解线性动态问题的模态叠加法，另一种是求解非线性动态问题的直接积分法，对于本算例，采取第一种模态叠加法提取不同焊点模型下的 PCB 板的前三阶固有频率，结果发现三种焊点模型的 PCB 板振型相同，图 9所示为球形焊点模型下的前三阶模态振型。随后使用激光测振法得到 PCB 板沿厚度方向正弦振动的频响曲线如图 10 所示，从而获得电路板的前三阶固有频率。图 9 球形焊点模型前三阶模态振型 Fig.9 The first