BGA封装焊点动静力学与温度场耦合仿真分析

1.3 本文的主要研究内容

1.3.1 概述

首先，详细介绍了DSP器件的结构信息，以及布局和安装等情况。并基于上述真实的DSP器件模型，利用有限元软件Abaqus建立了球栅阵列BGA结构封装体的基本模型， 分析DSP器件在不同条件下的受力情况，按照不同安装变形、不同力学条件、不同温度变化、综合工况、高低温交变循环五种工况，分别建立相应的有限元模型，分析在每种载荷作用下得到的仿真结果，并计算DSP器件在高低温交变循环下应力疲劳情况并为工程实际中提供帮助与建议[21]。

1.3.2 产品介绍

1.3.2.1 DSP器件信息

型号：SMV320C6701GLP14W；厂家：TI；封装等级：BGA429；质量等级：V级。共429个焊点。如下图所示。

图1-1 DSP器件尺寸示意图

1.3.2.2 PCB布局与安装

DSP安装于由四块电路板通过柔性带连接组成的一体PCB板上；PCB板材料为FR-4，10层板；具体位于其中一块控制板上，如下图所示。

图1-2 DSP器件布局示意图

一体刚柔电路板通过四周围合方式安装在铝合金电路支架上，采用M3螺钉固定，预紧力矩为0.4Nm，DSP器件朝向电路支架内侧，如下图所示。

(a)实物图 (b)支架图

图1-3 DSP器件示意图

1.3.2.3 DSP器件焊装情况

焊接材料：DSP为CBGA（陶瓷）封装，芯片重量约7g，焊球材料为SAC305（Sn含量96.5%，Ag含量3%，Cu含量0.5%），球径0.6mm～0.9mm，印制板焊盘直径0.7mm，焊盘表面处理工艺为HASL（镀锡热风整平），DSP采用无铅制程再流焊温度曲线完成焊接。

固封情况：使用DG-4双组份环氧树脂由芯片四角进行粘固，胶液由印制板面向上堆积至器件顶面，胶液宽度由四角向两边延伸2mm左右，点胶后室温下自然固化24h。

第2章 静力学仿真分析

2.1 模型建立

基于DSP实物模型进行有限元建模，建立429个焊点模型，按照实际安装布局建立PCB模型，并按照DSP四角实际点胶情况建立环氧树脂模型进行模拟，具体材料属性见下表。

表2-1 分析材料属性

部件	材料	密度 (t/ mm3)	杨氏模量(MPa)	泊松比	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)
电路板	FR-4	1.9e-9	35000	0.2	345	420
芯片	陶瓷	3.85e-09	187000	0.25	369	448
BGA焊球	SAC305	7.3e-09	38000	0.33	44	44
环氧树脂胶	DG-4	0.98e-09	100	0.3	—	150

1. 单元类型的选择

结合本章节仿真条件，并为后续的热应力仿真作铺垫，稳态温度场模拟选用C3D8R三维热实体单元。该单元既能实现匀速热传递，也可用于瞬态热分析。单元类型选择如下图所示。

图2-1 单元类型的选择

2. 划分网格

            

(a) PCB电路板                            (b) 芯片

(c) 焊球                                (d) 环氧树脂

图2-2 有限元模型网格划分

同时考虑计算精度和速度，在对BGA封装模型划分网格时，我们使用映射网格的方法。如图2-5所示。其中图(a)为PCB电路板网格划分示意图，共有4342个单元，6642个节点；图(b)为芯片网格划分示意图，共有1725个单元，2770个节点；图(c)为焊球网格划分示意图，共有46个单元，298个节点；图(d)为环氧树脂网格划分示意图，共有7个单元，24个节点。

3. 接触设置

在边界条件设置中，芯片与底板通过焊点连接，设置焊点两侧分别与与芯片、底板绑定接触，环氧树脂采用粘结单元（cohesive单元）设置。

4. 边界条件设置

按照实际情况在PCB板模型中设有8个安装孔，施加相应预紧力矩模拟真实安装情况。为了模拟PCB板翘曲带来的影响，模拟弓曲恶劣情况，在中间两个孔中（2、6）施加了与翘曲方向相反的位移边界条件，如下图所示。

图2-3 DSP器件建模布局和翘曲模拟示意图

建模示意图和实物图如下图所示。

(a)建模示意图	(b)实物图

图2-4 DSP焊点建模与实物对照图

2.2 DSP器件不同翘曲度下应力分析

2.2.1 翘曲度

根据实物要求，本章节基于不同翘曲度，分别分析了焊球、芯片、PCB板、四周点环氧树脂的应力极值以及应力分布，探究影响DSP器件的关键因素。

翘曲度=单个角翘起高度/(PCB对角线长*2)*100%

翘曲度尺寸如下图所示。

图2-5 PCB翘曲度

2.2.2 不同翘曲下焊球应力分析

下面给出结构焊点阵中的最大应力值与应力云图，如下图所示。

(a)翘曲度0.003	(b)翘曲度0.005
(c)翘曲度0.007	(d)翘曲度0.008

图2-6 不同翘曲度下焊球应力云图与极值

2.2.3 不同翘曲下芯片应力分析

下面给出芯片部位的最大应力值与应力云图，如下图所示。

(a)翘曲度0.003	(b)翘曲度0.005
(c)翘曲度0.007	(d)翘曲度0.008

图2-7 不同翘曲度下芯片应力云图与极值

2.2.4 不同翘曲下PCB板应力分析

下面给出PCB板部位的最大应力值与应力云图，如下图所示。

(a)翘曲度0.003	(b)翘曲度0.005
				图2-8 不同翘曲度下PCB板应力云图与极值
(c)翘曲度0.007	(d)翘曲度0.008

图2-8(续图)

2.2.5 不同翘曲下环氧树脂应力分析

下面给出环氧树脂处的最大应力值与应力云图，如下图所示。

(a)翘曲度0.003	(b)翘曲度0.005
(c)翘曲度0.007	(d)翘曲度0.008

图2-9 不同翘曲度下环氧树脂应力云图与极值

将各个部分的应力极值总结于下表。

表2-2 不同翘曲度各部分最大应力

翘曲度	焊球最大应力(MPa)	芯片最大应力(MPa)	PCB板最大应力(MPa)	环氧树脂最大应力(MPa)
0.003	7.767	0.543	0.240	0.853
0.005	15.78	1.112	0.530	2.088
0.007	20.35	2.976	1.203	5.059
0.008	25.27	3.345	1.328	5.674

2.2.6 加装垫圈后焊点应力分布

如图2-10所示为DSP器件在安装垫圈时不同翘曲度下焊点的应力极值。在表2-8中给出了不同翘曲度下焊点加装垫圈前后的结构应力极值。

图 2-10 安装垫圈在不同翘曲度下焊点的应力极值(MPa)

将有无垫圈时焊点应力极值做对比，如下表所示。

表2-3 不同翘曲度下有无垫圈的应力对比分析

翘曲度	无垫圈应力极值(MPa)	有垫圈应力极值(MPa)
0.003	7.67	5.664
0.005	15.78	9.134
0.007	20.35	14.611
0.008	25.27	18.673

通过对比可以看出，加入垫圈结构可以很好的降低焊球的应力。

2.2.7 采用不同焊球尺寸、不同安装力矩时焊点的应力分布对比

现在重点分析不同安装力矩对不同焊球尺寸应力分布的影响，模型其余的边界条件设置相同，翘曲度为0.008mm，环境温度设置为常温，DSP器件的四周施加环氧树脂固化。不同点在于焊球直径不同，分别为0.6mm、0.8mm，以及施加的安装力矩分别为0.2 Nm、0.4 Nm、0.6 Nm。

2.2.7.1 焊球直径为0.6mm

下面给出不同安装力矩下DSP焊球直径为0.6mm的应力云图与最大应力，如下图所示。

(a)安装力矩0.2(N·m)	(b)安装力矩0.4(N·m)	(a)安装力矩0.6(N·m)

图2-11 0.6mm焊球直径不同安装力矩下的应力云图

将最大应力总结于下表。

表2-4 0.6mm焊球直径不同安装力矩下的最大应力

安装力矩(N·m)	0.2	0.4	0.6
应力极值(MPa)	18.429	25.274	32.850

2.2.7.2 焊球直径为0.8mm

下面给出不同安装力矩下焊球直径为0.8mm的应力云图与最大应力，如下图所示。

(a)安装力矩0.2(N·m)	(b)安装力矩0.4(N·m)	(a)安装力矩0.6(N·m)

图2-12 0.8m焊球直径不同安装力矩下的应力云图

将最大应力总结于下表。

表2-5 0.8 mm焊球直径不同安装力矩下的最大应力

安装力矩(N·m)	0.2	0.4	0.6
应力极值(MPa)	13.691	22.947	30.120

2.2.7.3 结论

将前文所述的应力极值对比，给出了不同安装力矩下不同焊球直径的应力极值，如下表所示。

表2-6 不同安装力矩下不同焊球直径的应力极值对比

安装力矩	焊球直径0.6mm	焊球直径0.8mm
0.2Nm	16.429	13.691
0.4Nm	25.274	22.947
0.6Nm	32.850	30.120

由上述仿真结果可知，螺钉安装力矩对应力影响很小，最大安装力矩下，应力极值不超过各个结构件的屈服应力。常温下翘曲度为0.008时，安装力矩0.4Nm并且考虑环氧树脂胶结的工况下应力极值为25.27MPa，基于此工况的分析数据，力矩为0.2Nm在这个基础上应力数值小，力矩0.6Nm该都在这个基础上应力大，验证了模型的正确性以及可靠性。

如上表所示，当焊球的直径从0.6mm变化为0.8mm，焊球的应力极值减小，焊球的直径增大会导致焊球的表面积增加，焊球在焊接区域与其他元件接触时，会有更多的接触面积，较大的接触面积意味着焊接区域受到的力会分布在更广泛的区域上，从而扩大应力的分布，减小其应力极值。

综上所述，焊球的直径变大会导致应力极值降低。

2.3 结论

由以上仿真结果可知，当 PCB翘曲时，焊球、芯片、PCB板、环氧树脂等会受到不同程度的应力，分析可得出如下结论：

各部分所受的应力与PCB板翘曲度呈正相关性，翘曲越大，应力越大；

所有计算结果均没有超过材料本身的屈服极限，但是焊球相比自身的屈服强度（焊球屈服强度44MPa），显然承受了较大的应力（约10MPa~25MPa）；其他部分在最大翘曲0.008时均不超过6MPa，远远低于自身的屈服强度。

应力相对较大的区域位于图示边角区域，最高的应力位于如图所示位置处。

(a)最大应力在PCB板位置	(b)最大应力在焊点位置

图2-13 芯片中最大应力处

焊球的应力呈现区域性分布，如果该应力超过焊球强度，将导致相应整片区域出现损坏，不会仅仅出现单点损坏。

螺钉安装力矩对应力影响很小，最大安装力矩下，应力极值不超过各个结构件的屈服应力。

在翘曲度为0.008时，将焊球直径从0.6mm增大到0.8mm将略微减小结构各部件处的最大应力值，可以考虑增加焊球直径来减小结构内应力。

加装垫圈、加入环氧树脂胶结结构等方法均可有效降低焊点的极限应力。