球栅阵列无铅焊点随机振动载荷下失效机理与寿命预测

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1、分类号!旦12三UDC编号上海交通大学博士后研究工作报告刘芳球栅阵列无铅焊点随机振动载荷下失效机理与寿命预测博士后姓名联系导师流动站(一级学科)名称动左王程生王程热物理研究工作起始时间研究工作期满时间上海交通大学机械与动力工程学院2010年6月jI湃交通人学博f‘后出站报告POSTDOCTORALRESEARCHREPOI之TFailureMechanismandLifePredictionofBallGridArrayLead-freeSolderJointsunderRandomVibrationL

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3、动与加速度水平，比如应用在航空航天、汽车或军用设备上的微电子产品在使用过程中往往处于严重的振动环境，其可靠性将受到很大的影响，而且美国空军AVIP(AvionicsIntegrityProgram)已有统计数据表明20％电子产品失效是源于振动冲击。焊点承担电气连接与机械连接的双重作用，因而焊点的可靠性是电子产品设计和使用时的核心问题之一。板级连接焊点在服役过程中虽然伴随着循环的热一机械应力作用，易发生热疲劳和蠕变；但若处于严重的振动冲击环境中，极易导致产品的机械或功能损坏，很多产品在远未达到热疲劳寿命时

4、就由于振动冲击引发产品性能故障。板级连接焊点的振动可靠性问题己成为电子工业界亟待解决的研究课题。电子工业的“无铅化"成为发展的必然趋势，因此，开展无铅电子产品板级连接焊点的可靠性研究具有重要意义。虽然对无铅焊点振动可靠性的研究越来越多，但绝大部分学者都是考虑简谐激励下板级封装无铅焊点的振动可靠性，而实际上，处在振动环境中的大多数电子设备都是遭受随机激励而不是简谐激励。因此本项目以电子产品中广泛应用的球栅阵列(Ballgridarray，简称上海交通人学博{j后ff：站报告摘要BGA)封装为研究对象，致力

5、于随机振动载荷下BGA无铅焊点的失效机理与寿命预测研究，寻找随机振动载荷下BGA无铅焊点的失效规律，以提高焊点可靠性为研究目标，开展了一系列实验、数值模拟与理论研究。1．采用锤击法与非接触式激光电视全息技术两种方法分别对试件进行实验模态分析．后者能得到更好的测试结果。激光全息技术利用VibroMapl000激光测振系统对试件进行了三个不同位置激励及不同边界预紧力的模态实验，探求这几种情形对试件实验模态分析结果的影响。2．详细论述了试件的窄带随机振动疲劳实验过程与方法，将金相实验分析、能谱分析与动态电压变

6、化情况相结合研究BGA无铅焊点的失效机理。从试验过程与分析结果得出如下结论：随机振动载荷下PCB组件上BGA封装外围拐角处焊点最先失效；随机振动过程中板级封装无铅焊点失效的根本原因是机械振动和PCB往复弯曲使拐角焊点承受反复的拉压循环应力导致的；随着输入加速度功率谱密度(PSD)幅值增大，BGA无铅焊点的失效模式亦不相同(从靠近PCB一侧的焊球体的疲劳断裂演变为靠近BGA一侧的Ni／金属间化合物(IMC)间的脆性断裂)。3．建立三维有限元模型，采用基础激励法模拟了随机振动载荷下试件的动力响应。比较实验数

7、据与模拟分析得到的PCB中心位移的PSD和均方根(Rives)结果验证了模型的有效性，且有限元模拟预测的最先失效焊点的位置和部位与试验结果不是完全吻合，研究了四种加速度功率谱密度幅值下关键焊点的应力应变场以及不同预紧力对焊点应力应变场的U摘要影响。4．建立无铅焊点窄带随机振动寿命预测模型。采用二参数威布尔分布对无铅焊点寿命进行了统计学分析，拓展Miner准则，结合孓Ⅳ疲劳曲线方程建立了将最大拉应力均方根值&Ms与焊点失效寿命联系起来的窄带随机振动寿命预测模型，可定量地评估焊点寿命。关键词：随机振动，BG

8、A无铅焊点，有限元模拟，失效机理，寿命预测111上渐：爻通人学博I

9、．后出站报告ABSTRACTFailureMechanismandLifePredictionofBallGridArrayLead—freeSolderJointsunderRandomVibrationLoadingABSTRACTElectronicequipmentcanbesubjectedtomanydifferentformsofvibrationoverwi