基于数值模拟的无铅焊点剥离应力分析

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1、中文摘要长期以来，锡铅钎料在电子行业中作为连接材料一直占据主导地位。然而，人们在对铅的长期使用中发现，铅会对人类的健康造成严重的威胁。出于对保护环境和人类自身健康的考虑，电子产业已全面禁止使用含铅钎料，并且在近两年内必须实现电子封装与组装的无铅化生产。无铅钎料替代Sn．Pb钎料后，在电子元器件的表面组装工艺、焊点可靠性等方面产生许多问题，出现各种缺陷的概率都会增加，焊点剥离现象便是易产生的缺陷之一。而且，随着电子封装与组装技术的迅猛发展，使得焊点尺寸越来越小，很难用试验方法对焊点进行研究，而有限元模拟恰好为研究微小焊点提供了有利手段。本课题就是利用ANSYS有限

2、元软件对无铅Sn．Ag．Cu焊点的剥离应力进行模拟和分析。首先建立了BGA焊点的三维有限元模型，鉴于无铅钎料力学性能的温度依赖性，对焊点在．50℃～150℃范围内九个不同温度值下的剥离应力分别进行了模拟和分析。研究结果表明，随剥离应力的增大，焊点的最大等效应力逐渐增加，最大等效应力出现在焊点与焊盘界面的最边缘处。在室温25℃时，随剥离应力从33．6MPa增大到336MPa的过程中，焊点所受的最大等效应力由7．59MP增加到52．2MPa。在同样的剥离应力下，随温度的升高，焊点的最大等效应力逐渐减小。剥离应力为336MPa时，25℃对应的最大等效应力为52．2MP

3、a，而150℃对应的最大等效应力仅为25．0MPa。根据Sn．Ag．Cu钎料的抗拉强度值估计出焊点的临界剥离应力，结果表明，随温度升高，临界剥离应力值逐渐减小。当温度为室温25℃时，临界剥离应力约为273MPa，而当温度为150℃时，临界剥离应力减d,N108MPa。根据各温度对应的临界剥离应力值通过拟合发现，在．50℃～150℃的温度范围内，临界剥离应力随温度的变化趋势符合指数递减规律。关键词：无铅钎料；Sn．Ag．Cu；剥离；有限元；临界剥离应力ABSTRACTForalongtime，thetin—leadsolderintheelectronicindu

4、stryasaconnectingmaterialhaSbeenoccupyingthedominantposition．However,itwasfoundinthelong．termuseofleadthat．theleadelementwasaseriousthreattOthehuman’Shealth．Outoftheconsiderationofprotectingenvironmentandhuman’Sownhealth，theelectronicindustryhascomprehensivelybannedtheUSeofleadcontai

5、ningsolders，andintherecenttwoyears．itmustachieveleadlessproductionwitllintheelectronicpackagingandassembly．Afterthesubstitutionoflead．freesoldersforSn—Pbsolder，manyproblemsemergedinthesurfacemounttechnologyofelectroniccomponentsandreliabilityofsolderioints．Theprobabilityofvariousdefe

6、ctsincreasedaswell．Thelift—offphenomenonwasoneofthem．Furthermore，therapiddevelopmentofelectronicpackagingandassemblytechnologieshasbeenmakingthesizeofsolderjointsincreasinglysmaller．Itisverydifficulttoconductresearcheswiththetestingmethodsonsolderjoints．Butthefiniteelementsimulationh

7、asexactlyprovidesafavorablemeanstostudytinysolderjoints．ThisthesiswasutilizingthefiniteelementsoftwareANSYStosimulateandanalyzethepeelstressoflead—fleeSn—Ag-Cusolderjoints．First,athreedimensionalfiniteelementmodelwasestablished．Asthemechanicalpropertiesoflead-fleesoldersdependentonte

8、mperatures，t