一種熱振聯(lián)合載荷下bga焊點疲勞壽命預測方法
【專利摘要】一種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其步驟如下：1.采用有限元分析軟件建立單個BGA焊點的有限元模型；2.按照工作環(huán)境條件對BGA焊點進行熱循環(huán)仿真；3.根據(jù)熱循環(huán)仿真結(jié)果計算熱循環(huán)載荷下BGA焊點的損傷率；4.在不同的溫度條件下對BGA焊點進行隨機振動仿真；5.計算熱循環(huán)載荷影響下由于隨機振動載荷導致的BGA焊點損傷率；6.計算BGA焊點在熱循環(huán)載荷與隨機振動載荷下共同作用下總損傷率；7.計算得到BGA焊點在熱振聯(lián)合載荷下的預測壽命。本發(fā)明能夠提高實際生產(chǎn)中熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點的疲勞壽命的預測準確度，具有一定的工程應用價值。
【專利說明】—種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法
【技術(shù)領域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種熱振聯(lián)合載荷下球柵陣列式(Ball Grid Array簡稱BGA)焊點疲勞壽命預測方法，通過計算BGA焊點在熱振聯(lián)合載荷下的損傷率，從而得出熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點的疲勞壽命，屬于系統(tǒng)工程系統(tǒng)可靠性【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]第四代封裝技術(shù)一表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology簡稱SMT)是20世紀90年代的世界十大新技術(shù)之一，并很快廣泛的應用于集成電路，具有成本低廉、集成度高、重量輕、易于自動化等優(yōu)點。但是也存在一些缺點:焊點的壽命較短。這是因為SMT封裝的電子元器件工作過程中會經(jīng)常受到工作環(huán)境應力載荷，使得焊點受到反復的應力應變作用，應力應變作用累積，最后導致焊點的疲勞。研究表明焊點的失效是封裝失效的主要原因，所以通常所說的電子封裝的可靠性研究，大多是針對焊點來討論的。
[0003]焊點最常見的破壞大多由于熱循環(huán)導致。此外，由于微電子元器件在封裝、運輸、存儲及使用過程中，不可避免的會受到各種形式的機械振動沖擊負載，使印制電路板或基板發(fā)生較大的動態(tài)彎曲變形，在焊點中引起交變應力。尤其是當焊點內(nèi)存在動態(tài)應力和熱應力相互作用時，會加速焊點中的裂紋擴展進程，迅速導致焊點提前失效。工作在航空、航天和軍用環(huán)境中的電子產(chǎn)品，經(jīng)常受到振動載荷與熱循環(huán)載荷的同時作用，但是，估算工作在熱和振動聯(lián)合載荷環(huán)境下的電子產(chǎn)品的壽命仍有相當大的難度。在實際的工作和科研中，工程人員們基本采用的是傳統(tǒng)的線性損傷累積的方法，不考慮熱循環(huán)載荷對振動產(chǎn)生的影響，分別計算熱和振動的損傷并進行累加，這種方法雖然簡單易行，但與實際情況不符。
[0004]鑒于此，本發(fā)明提出了一種熱振聯(lián)合載荷下的BGA焊點疲勞壽命預測方法，該方法放棄了傳統(tǒng)的線性損傷累積的方法，而采用一種漸進性損傷累積方法，計算出熱循環(huán)和隨機振動聯(lián)合作用下BGA焊點的損傷率，進而得出BGA焊點的疲勞壽命，能夠使實際生產(chǎn)中熱循環(huán)和隨機振動聯(lián)合載荷下BGA焊點的疲勞壽命的預測更加精確。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]1、目的:本發(fā)明的目的是提供一種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，它是針對BGA焊點在熱循環(huán)和隨機振動聯(lián)合作用的情況下，通過計算BGA焊點的損傷率，從而得出BGA焊點的疲勞壽命。本發(fā)明旨在提高實際生產(chǎn)中熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點的疲勞壽命的預測準確度，從而指導生產(chǎn)和設計，提高產(chǎn)品的可靠性。
[0006]2、技術(shù)方案:本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0007]首先引入幾個定義。
[0008]定義1:載荷:單位長度或面積的物體所受的承載力。
[0009]定義2:熱振聯(lián)合載荷:熱循環(huán)和隨機振動聯(lián)合作用下產(chǎn)生的載荷。
[0010]定義3:疲勞損傷:疲勞損傷定義為在交變載荷作用下受損物體的價值或用途減小了。其物理解釋通常將損傷概念與失去完整性相聯(lián)系，如微觀裂紋的形成、物理性能的下降(強度、韌性退化等)等。
[0011]定義4:損傷率:損傷率為某一載荷作用下的單位時間與總的失效時間的比值，本發(fā)明中具體計算公式如下式
【權(quán)利要求】
1.一種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特征在于:該方法的具體步驟如下: 步驟一:在有限元分析軟件中輸入所要研究的BGA焊點的初始條件參數(shù)，建立出BGA焊點的有限元模型； 步驟二:按照BGA焊點實際工作時的環(huán)境條件，在有限元分析軟件中通過設置熱循環(huán)的溫度范圍和每一個熱循環(huán)周期的時間，包括高低溫的保溫時間和升溫降溫時間來對BGA焊點的有限元模型進行熱循環(huán)仿真； 步驟三:熱循環(huán)仿真完成后，提取BGA焊點的有限元模型的塑性應變量，將其代入Coffin -Mason模型中，如公式(2)所示，得到BGA焊點在熱循環(huán)下的疲勞壽命，再利用公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特征在于:步驟一中所述的“初始條件參數(shù)”，其包括焊球附加重力載荷、焊球表面張力、焊球密度、頂焊盤直徑和等效焊球直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特征在于:步驟四中所述的“關鍵的溫度”，是指熱循環(huán)溫度范圍中的能夠保持一段時間的溫度；受溫度影響的參數(shù)包括BGA焊點材料的楊氏模量、熱膨脹系數(shù)和泊松比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特征在于:步驟五中所述的“確定的溫度”，是指步驟四中選擇的幾個關鍵溫度之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱振聯(lián)合載荷下BGA焊點疲勞壽命預測方法，其特征在于:步驟五中所述的“疲勞損傷系數(shù)”，包括彈性模量E、應力強度系數(shù)Of、疲勞塑性系數(shù)ef和塑性應力σ。。
【文檔編號】G06F17/50GK103778292SQ201410031170
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】胡薇薇, 孟祥坤, 孫宇鋒, 趙廣燕, 牟浩文 申請人:北京航空航天大學