基于子结构法的板级pop跌落冲击可靠性分析研究

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1、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

2、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

3、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R＆D中心的Joon-YeobLee,Tae-KyungHwang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-enLuan[20]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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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