基于子结构法的板级PoP跌落冲击可靠性分析研究.ppt

一、概述 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。 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。 二、论文重要理论基础 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 2、子结构方法理论 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。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 三、基于子结构法整体模型跌落分析 2、子结构法板级PoP跌落分析过程 子结构法板级PoP跌落全局分析过程如图3-3所示。首先建立板级PoP跌落有限元模型，这一部分同常规有限元法相同，然后逐个对U13，U14，U8分别进行跌落仿真分析，依次得到PCB上各位置PoP焊点跌落动态响应，即要得到整个板级PoP跌落动态响应需要进行三次子结构分析。 　　 三、基于子结构法整体模型跌落分析 三、基于子结构法整体模型跌落分析 以U8子结构分析分析为例，说明子结构法板级PoP跌落冲击分析在ANSYS中实现过程，具体的步骤如下： 1、生成部分：U8以外所有单元作为子结构用于生成超单元。2、使用部分：将非超单元部分与超单元部分组合进行跌落分析求解，使用部分模型如图3-4所示。3、扩展部分：从使用部分的超单元V8的凝聚解中计算出整个超单元完整解。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 3、仿真结果及分析： 1）PCB动态跌落特性研究 整个PCB的冲击过程分为两个阶段，第一阶段为 PCB 承受半正弦波冲击阶段，第二阶段为冲击载荷消失的自由振动阶段。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 对PCB最大弯曲变形时刻扩展，查看整个PCB最大弯曲形变，如图3-5a所示。对应的图3-5b是牛晓燕[42]仿真结果。由图可知，本文仿真结果和牛晓燕的研究成果具有良好的一致性，从一方面验证了本文所建模型的正确性。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 有图可知，顶层封装和底层封装最大应力都位于封装体对角线上距离封装体中心最远位置（DNP）的焊点上。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 如图3-8所示底层和顶层应力最大应力节点跌落冲击过程中的动态应力曲线。从图可以看出，焊点应力随时间变化而变化，底层封装焊点应力远大于顶层封装焊点最大应力，说明U8底层DNP焊点为整个PoP关键焊点。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 。图3-9和图3-10分别给出了U14和U13底层焊点应力最大时刻焊点分布云图，由图可以看出，无论是U13还是U14，最外层阵列角落焊点都遭受跌落冲击载荷过程中较大的应力。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 　　比较U8、U14、U13的跌落冲击受力情况可知，U8焊点最大应力为382MPa，U13焊点最大应力为318MPa，U14焊点最大应力336MPa，并且U8应力峰值和PCB板的变形峰值在时间上具有同步性，综合以上仿真结果，因此得出结论：在跌落冲击中，PCB上最容易引起元件失效的位置是PCB中心变形最大的区域，U8底层DNP焊点是整个PCB关键焊点，该仿真结果与DongKil Shin[23]所做实验结果一致。 三、基于子结构法整体模型跌落分析 3）仿真结果比较 为进一步验证子结构跌落仿真分析计算结果的准确性，比较常规有限元法与子结构方法仿真结果。以U1关键焊点最大应力为比较对象。 表3-1给出了U8子结构方法与整体有限元方法仿真结果一些基本信息。 四、考虑焊点应变率效应板级PoP跌落