基于子结构法的板级PoP跌落冲击可靠性分析研究.ppt

2013届硕士学位论文毕业答辩报告,基于子结构法的板级PoP跌落 冲击可靠性分析研究,主要内容,概述 论文重要理论基础 基于子结构法整体模型跌落分析 考虑焊点应变率效应的板级PoP跌落分析 动态四点弯曲试验仿真 结论与展望 致谢,一、概述,1、课题来源： -,一、概述,2、论文研究背景及意义： PoP具有装配前各封装器件可以单独测试，提高产品贴装良品率等诸多优势，近几年在便携式电子产品中得到广泛应用。然而便携式电子产品在使用过程中经常会遭受到跌落冲击载荷，使PoP焊点可靠性问题凸显。 由于板级跌落测试试验具有成本高和周期长的局限性，而有限元模拟方法可以弥补上述不足，因此有限元数值模拟技术受到越来越多的关注。一般仿真分析时为了得到较为精确的计算结果，需要对焊点进行精细的网格划分，而PoP结构复杂，尤其当PCB上贴装多个PoP时，往往致使总体求解规模极为庞大，计算非常耗时。,一、概述,子结构技术具有降低计算规模、提高计算效率、保证一定精度的特点，对于求解计算规模较大的结构分析具有极大优势，因此有必要将子结构方法应用到PoP焊点跌落可靠性有限元分析中。,一、概述,3、国内外研究现状： PoP（Package-on-Package，封装上封装）近几年在便携式电子产品中得到广泛应用。随着PoP的广泛使用，跌落可靠性问题凸显。近年来，国内外一些学者已对对PoP跌落冲击环境下焊点可靠性进行了较多研究。目前对PoP跌落冲击跌落测试实验来完成，如Amkor技术公司RD中心的Joon-Yeob Lee, Tae-Kyung Hwang等19通过对试件进行温度循环试验和JEDEC推荐板级跌落实验，研究了不同底充胶对PoP散热性能和跌落冲击可靠性的影响。STMicroelectronics的Jing-en Luan20对PoP标准板级跌落实验焊点失效模式进行了分析。,一、概述,关于板级PoP跌落可靠性数值分析还比较少，且数值模拟大多数是建立PCB中心贴装一个PoP的有限元模型。而之所以只建立一个POP的情况。其原因是PoP结构复杂，焊点达数百个，当建立PCB贴装多个PoP板级跌落有限元模型时，往往致使总体求解规模极为庞大，采用常规有限元法对系统进行分析，会给分析带来很多困难，比如由于计算机的容量不足而引起太大的误差和要花费许多的机时等等。子结构技术可以弥补上述不足，对于求解计算规模较大的结构分析具有极大优势。因此本文将子结构方法应用到板级PoP焊点跌落有限元分析中。,一、概述,4、主要研究内容： 1）基于JESD22-B111标准，建立了标准板级PoP跌落分析三维有限元模型，对整个组件进行了子结构跌落仿真分析。 2）为了使仿真结果能更真实体现焊点遭受跌落冲击的情况，采用子结构法对考虑了焊点应变率效应的板级PoP组件进行跌落分析，并考察了焊点高度，焊点直径等因素对PoP焊点跌落可靠性的影响。 3）对PoP动态四点弯曲试验进行了仿真分析，探讨了动态四点弯曲试验代替标准板级跌落试验评价PoP可靠性的可行性。,二、论文重要理论基础,1、 跌落可靠性试验 1）标准板级跌落实验 试验过程中，跌落台在固定高度无初速度释放，沿着导轨自由下落，直至碰撞到覆盖着毡垫的刚性基座上，在此过程中，跌落台产生加速度脉冲，此脉冲通过基准平面和支撑支座传递到PCB组件和加速计上，PCB组件受到加速度脉冲的作用，发生弯曲变形。,图2-1 标准板级跌落冲击测试设备,2）四点动态弯曲实验 JEDEC推荐跌落实验还处于试用阶段，实验准备时间长不利于新产品的开发，因此近年来寻找标准板级跌落替代性试验来对比和评价焊点的冲击性能。在诸多替代性实验中，相比而言，动态四点弯曲方法实验设备简单且可操作性强，焊点的力学行为也最接近JEDEC推荐的测试方法。 动态四点弯曲试验装置示意图如图2-2所示，整个实验装置包括跌落重物、加载支架、PCB组件、封装体、橡胶、支撑支架和固定支座等。,二、论文重要理论基础,二、论文重要理论基础,2、子结构方法理论 子结构技术是有限元法的一种高级分析技术，子结构法就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。其基本思想是，遵循某些原则要求，将一个大型结构分解成一些规模较小的部分子结构，然后对每个子结构进行降阶。再将降阶后的子结构按照边界连接条件组装成原来的大结构，从而达到降低问题运算规模，节省计算时间的作用，子结构法为分析这样的大型问题提供可能。,子结构法在ANSYS中的分析步骤： 1）生成部分：将普通的有限元单元凝聚为一个超单元的过程。凝聚是通过定义一组主自由度来实现的。 2）使用部分：将超单元与非超单元部分组集进行分析的过程。 3）扩展部分：从使用部分的凝聚解计算出整个超单元的完整解（即超单元部分内部所有节点的解）。 整个子结构分析过程的数据流程和所用的文件如图2-3所示。,二、论文重要理论基础,图2-3 子结构分析过程的数据流程,二、论文重要理论基础,三、基于子结构法整体模型跌落分析,1、有限元建模仿真： 标准跌落测试实验中发现U2,U3,U8位置PoP处于危险区域23，因此论文考察这几个位置的PoP焊点可靠性。基于JESD22-B111标准，建立标准板级PoP跌落实验有限元模型。PoP在PCB上的布局如图3-1所示。 论文选用自顶向下的建模方法。子结构法板级PoP有限元模型如图3-2所示。其中焊点简化为四方体，仿真结果虽然不能数值精确，但是获得的跌落过程焊点应力动态响应跟精细模型应力变化趋势是一致的。因此焊球简化合理。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,图3-2 有限元模型,图3-1 PoP在PCB上布局,三、基于子结构法整体模型跌落分析,2、子结构法板级PoP跌落分析过程 子结构法板级PoP跌落全局分析过程如图3-3所示。首先建立板级PoP跌落有限元模型，这一部分同常规有限元法相同，然后逐个对U13，U14，U8分别进行跌落仿真分析，依次得到PCB上各位置PoP焊点跌落动态响应，即要得到整个板级PoP跌落动态响应需要进行三次子结构分析。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,图3-3 板级PoP组件跌落分析子结构计算过程,以U8子结构分析分析为例，说明子结构法板级PoP跌落冲击分析在ANSYS中实现过程，具体的步骤如下： 1、生成部分：U8以外所有单元作为子结构用于生成超单元。2、使用部分：将非超单元部分与超单元部分组合进行跌落分析求解，使用部分模型如图3-4所示。3、扩展部分：从使用部分的超单元V8的凝聚解中计算出整个超单元完整解。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,图3-4 U8子结构分析的使用部分计算模型,超单元,三、基于子结构法整体模型跌落分析,3、仿真结果及分析： 1）PCB动态跌落特性研究 整个PCB的冲击过程分为两个阶段，第一阶段为 PCB 承受半正弦波冲击阶段，第二阶段为冲击载荷消失的自由振动阶段。,对PCB最大弯曲变形时刻扩展，查看整个PCB最大弯曲形变，如图3-5a所示。对应的图3-5b是牛晓燕42仿真结果。由图可知，本文仿真结果和牛晓燕的研究成果具有良好的一致性，从一方面验证了本文所建模型的正确性。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,（a) 本论文仿真结果,（b) 牛晓燕仿真结果,图3-5 PCB最大弯曲变形图,三、基于子结构法整体模型跌落分析,2）焊点应力分析： 大量的研究表明47，板级组件的跌落冲击试验中，焊点的失效模式主要以剥离为主，应以最大剥离应力作为跌落冲击时焊点的失效准则，所以，本文应用剥离应力即垂直于PCB 方向上的法向应力SZ来评价焊点在跌落冲击中的可靠性。 对U8进行子结构跌落仿真分析，得到U8内部所以节点解。图3-6，3-7分别为U8处PoP上下层焊点应力最大时刻应力分布云图。,有图可知，顶层封装和底层封装最大应力都位于封装体对角线上距离封装体中心最远位置（DNP）的焊点上。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,图3-6底层焊点应力最大时刻应力分布,图3-7顶层焊点应力最大时刻应力分布,如图3-8所示底层和顶层应力最大应力节点跌落冲击过程中的动态应力曲线。从图可以看出，焊点应力随时间变化而变化，底层封装焊点应力远大于顶层封装焊点最大应力，说明U8底层DNP焊点为整个PoP关键焊点。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,图3-8 跌落冲击过程中的动态应力曲线,。图3-9和图3-10分别给出了U14和U13底层焊点应力最大时刻焊点分布云图，由图可以看出，无论是U13还是U14，最外层阵列角落焊点都遭受跌落冲击载荷过程中较大的应力。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,图3-9 U14焊点最大应力云图,图3-10 U13焊点最大应力云图,三、基于子结构法整体模型跌落分析,比较U8、U14、U13的跌落冲击受力情况可知，U8焊点最大应力为382MPa，U13焊点最大应力为318MPa，U14焊点最大应力336MPa，并且U8应力峰值和PCB板的变形峰值在时间上具有同步性，综合以上仿真结果，因此得出结论：在跌落冲击中，PCB上最容易引起元件失效的位置是PCB中心变形最大的区域，U8底层DNP焊点是整个PCB关键焊点，该仿真结果与DongKil Shin23所做实验结果一致。,3）仿真结果比较 为进一步验证子结构跌落仿真分析计算结果的准确性，比较常规有限元法与子结构方法仿真结果。以U1关键焊点最大应力为比较对象。 表3-1给出了U8子结构方法与整体有限元方法仿真结果一些基本信息。,三、基于子结构法整体模型跌落分析,表3-1子结构方法与常规有限元方法仿真结果对比,1、考虑应变率的本构模型 ANSYS中可采用二种材料选项，即在Perzyna模型和Peirce模型中引入应变率效应，来模拟材料的时间相关响应。论文焊点材料采用Peirce本构方程材料模型，以描述焊点在高冲击载荷下的应变率特性。Peirce本构方程其基本形式为： 其中， 为屈服应力， 为等效塑性应变率， 应变率强化参数，r为粘塑性材料参数。,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,2、有限元模型 在跌落冲击中，PCB中心U8所受应力最大，U8焊点可靠性是整个PCB可靠性的决定性因素。因此以下将以贴装在PCB中心的PoP为研究对象，研究考虑了焊点应变率效应的PoP跌落冲击性能。出于运算规模的考虑，对U8处焊点进行了细化，以对焊点进行彻底研究，其他区域的封装体视作等效质量的一块实体50。,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,板级PoP组件跌落有限元模型及局部模型如图4-1所示。,图4-1 有限元模型,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,本部分子结构计算过程如前所述子结构计算过程相同，在生成部分将U8以外部分生成超单元，使用部分组装U8内部单元和超单元进行求解。使用部分子结构计算模型如图4-2所示。,图4-2 子结构使用部分计算模型,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,3、仿真结果分析 图4-3所示为焊点应力最大时刻应力分布云图，同前面分析结果一样，当考虑焊点应变率效应时，其最大应力位于PoP底层DNP焊点（距离器件中心最远焊点）上。,图4-3 焊点应力最大时刻应力分布云,对单个焊点进行分析，取最容易失效焊点为分析对象，比较Peirce材料本构方程和线弹性材料模型焊点在跌落冲击下的动态响应。图4-4给出了两种材料模型最大应力与时间关系曲线。,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,图4-4 两种材料模型最大应力与时间关系曲线,由图可知，在高速跌落冲击载荷下，是否计入应变率效应对计算结果影响显著，采用Peirce模型和采用线弹性材料模型得到的焊点最大剥离应力明显不同。当考虑应变率效应时，焊球的应力从605MPa 减小到295MPa。因此，在数值模拟时应变率效应是不能忽略的，当焊点采用应变率效应材料时，焊点应力低于采用焊点弹性材料应力，说明按线弹性模型模拟焊料的力学性能时，将使仿真过程的焊点应力值高于实际跌落时焊点应力值。,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,如图4-所示为PoP底层和顶层DNP焊点应力分布云图，以及与之对应的Jing-en Luan20所做PoP跌落测试试验焊点失效模式图。,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,图4-5 焊点应力分布云图及 对应实验焊点失效模式,由图可知， PoP焊点应力集中位置与焊点失效发生位置相同，底部焊点最大应力出现在PCB/焊点一侧，焊点/封装一侧应力相对小；顶层焊点两端界面都出现应力集中，其中靠近上层封装基板处应力较大。,4、PoP焊点跌落性能影响因素分析 对不同的元器件设计和PCB设计时，焊球高度、焊球直径、焊盘尺寸等是不相同的，即使在同批次产品中，受焊点均匀度、锡膏印刷工艺以及热应力等各种因素影响，焊球直径和焊球高度也不尽相同。因此，研究以上参数对焊点跌落性能的影响很有必要。由于底层焊点所受应力要远大于顶层焊点所受应力，且最危险焊点位置位于底层焊点。因而各因素对PoP焊点跌落冲击性能的影响，以底层焊点最大应力为评价指标。,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,1）PCB厚度的影响 图4-6为不同厚度PCB对应的关键焊点最大应力曲线。由图可知，焊点最大应力随着PCB厚度的增加而减小。分析认为，这是因为PCB厚度的增加提高了PCB的刚度，使其在振动过程中抗变形能力增加。,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,图4-6 不同厚度PCB对应最大应力响应曲线,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,2）焊点直径与高度的影响 图4-7所示为跌落冲击环境下，焊点直径与最大应力关系曲线。分析过程保持焊点阵列、焊点中心距、加载条件等其他条件不变。,图4-7 直径与焊点最大应力关系曲线,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,图4-8所示为焊点应力随焊点高度变化的关系曲线图，仿真过程中，焊点直径保持0.35mm不变。,图4-8 焊点高度与最大应力关系曲线,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,3）顶层DNP焊点影响分析 底层和顶层封装体之间应力通过焊点传递，顶层焊点最大应力位于DNP焊点上，因此可以通过移除顶层DNP焊点，来分析研究顶层DNP焊球对焊点跌落抗冲击性能的影响。当移除顶层DNP焊球后，顶层焊点与底层焊点最大应力分布云图如图4-9所示。,图4-9上层焊点与底层焊点应力最大时刻焊点应力分布云图,四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落分析,由图看出，整个PoP焊点最大应力仍然处于底层封装外侧焊点拐角处，并且靠近PCB一侧，顶层封装焊点最大应力出现在，与拐角焊点相邻焊点上。底层焊点最大应力为271MPa，减少了16%，上层焊球最大应力为195MPa，增大了30%。虽然顶层焊点应力增大了，底层焊点应力仍然大于顶层焊点应力，底层焊点拐角处焊点仍然是整个PoP关键焊点，因而删除顶层封装关键焊点可改善PoP抗跌落冲击整体性能。该设想只是考虑其对跌落过程中焊点应力大小的影响，其正确性有待进一步的实验验证。,1、仿真模型 动态四点弯曲整体与局部有限元模型如图5-1所示，整个模型包括跌落重物、加载支架、PCB组件、封装体、橡胶、支撑支架和固定支座等。出于计算规模与时间的考虑，仿真模型中封装焊点阵列用焊层代替。,五、动态四点弯曲试验仿真,图5-1 四点弯曲实验有限元模型,五、动态四点弯曲试验仿真,3、仿真结果分析 1）PCB动态响应分析 PCB的弯曲变形对于评估焊点可靠性是非常重要的。有必要对PCB动态响应进行分析。图5-2是四点弯曲试验仿真PCB最大弯曲变形图。,图5-2 PCB最大弯曲变形,五、动态四点弯曲试验仿真,图5-3是PCB挠度时间历程曲线图。由图可知，在动态四点弯曲试验中，PCB中心位置的挠度最大，是最容易引起元器件失效的位置，在承受钢球跌落冲击过程中，呈上下弯曲变形，当挠度在3.5ms左右时刻达到最大值后其振幅逐渐减小，这一结构与金玲26研究成果相符合，验证了模型的正确性。,图5-3 PCB挠度曲线,五、动态四点弯曲试验仿真,2）焊层应力分析 图5-4为动态四点弯曲试验过程中，PoP底层和顶层封装应力最大时刻的焊层剥离应力云图。图5-5为应力最大时刻的标准跌落测试试验焊层剥离应力云图。,五、动态四点弯曲试验仿真,从图5-4中可以得出，PoP动态四点弯曲实验中，底层封装焊层最大剥离应力大于顶层封装应力，底层封装焊层最大应力位于距离封装体中心最远端靠近PCB一侧，顶层封装焊层最大应力位于距离封装体中心最远端靠近顶层基板一侧，底层焊层最大应力是整个PCB组件最大应力。 比较图5-4与5-5，从图中可以得出，两种试验最大剥离应力都位于底层焊层距离封装体中心最远端靠近PCB一侧位置，底层焊层和顶层焊层最大应力出现位置相同。,五、动态四点弯曲试验仿真,另外考虑到BGA焊球在跌落试验和动态四点弯曲试验中的失效模式完全一致，并且其失效机理也完全相同，论文初步推论：对于初步评价PoP焊点