基于子模型法的电子封装焊点热应力分析方法研究.docx

基于子模型法的电子封装焊点热应力分析方法研究

邵将1，崔海坡2

（1中国航空综合技术研究所质量中心，北京100028）

（2上海理工大学教育部微创医疗器械工程中心，上海200093）

摘要：基于有限元分析软件ABAQUS，利用子模型法，对PBGA封装的焊点结构在温度循环载荷

下的应力场进行了研究，并比较了不同焊点直径、焊点高度、焊点间距对应力场的影响规律。结

果表明，焊点的最大应力值与焊点直径和焊点间距成正比，与焊点高度成反比。研究结果对焊点

的可靠性评估和优化设计有一定的指导意义。

关键词：子模型焊点热应力影响规律

1引言

塑封球栅阵列（PBGA）技术的出现解决了四边引线扁平封装（QFP）所面临的增加I/O数和

精细节距带来的成本与可靠性问题，同时还具有更小封装尺寸、更低故障失效率的特征，适应了

电子产品朝着便携式/小型化、网络化和多媒体化方向发展的趋势，成为目前封装技术的主流[1]。

在PBGA封装中，焊点作为表面贴装芯片与PCB（PrintedCircuitBoard）基板之间的连接，主要

承担着传递电信号、提供散热途径、结构保护与支撑等作用。被连接的芯片与基板的热膨胀系数

（CET）不匹配及焊点承受温度循环等问题，将引起焊点产生疲劳破坏并进而导致器件整体的失

效。因此，电子器件微连接焊点可靠性已成为电子组装及封装领域中关键的热点问题之一[2,3]。

焊点的可靠性主要取决于焊点的内部质量、材料的匹配性、焊接材料的力学性能、焊点的几

何形状等因素。然而，由于PBGA封装器件的焊点都隐藏在器件体下，导致焊点缺陷的检测以及

失效试验分析都比较困难，而有限元方法不仅能够简化这类复杂的问题,还可以节省大量的人力

物力[4-7]

。但是由于PBGA封装中的组件尺寸从亚微米变化到几个毫米，焊点数目众多，同时计

算机运行能力有限，使得在有限元分析中必须对其进行简化，导致了最终计算结果存在较大误差，

而利用子模型技术则可较好地解决该问题。

针对上述分析，本文基于ABAQUS有限元分析软件，利用子模型法，对PBGA封装结构的

焊点在温度循环载荷下的应力场进行了研究，并比较了不同焊点直径、焊点高度、焊点间距对其

应力场的影响规律，从而为提高PBGA器件封装的可靠性提供参考依据。

2子模型方法介绍

在有限元分析中，往往是针对整体结构进行网格划分，网格的疏密程度已经能够满足计

算的精度要求，但是对于局部结构的分析，这些网格的疏密度却远远不够，如在应力集中区

域。一般来讲，可以有两种方法得到局部区域的精确解：一是采用更密的网格单元对整体模

型进行网格划分；二是只在局部区域进行网格细化。采用第一种方法会显著地增加计算时间，

甚至会由于单元数太多而导致计算无法进行；采用第二种方法即子模型法可以在有限的计算

资源条件下，有效地提高计算精度。

子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法，该方法依据圣维南原理，将子模

型切割边界上的实际载荷用等效载荷替代，对子模型单独进行有限元计算，子模型内部的应

力和应变只在载荷施加的位置附近有改变，其他位置的计算结果依然有较高精度。

1

利用子模型法进行有限元分析的基本步骤为：

（1）进行整体模型分析：用较粗的网格对整体结构进行划分，不考虑结构局部的一些

构造细节，然后分析整体结构，算出其特定部位（局部精细模型的边界部位）的位移响应；

（2）建立子模型：根据结构实际的尺寸、构造以及分析目标的要求，采用恰当的单元

建立局部精细模型，此时的网格密度增大；

（3）对切割边界进行插值：将第1步所得位移响应作为边界条件，采用线性插值法将

其自动施加到局部模型相应的位置；

（4）子模型分析：子模型原有的载荷和边界条件不变，对子模型进行有限元分析。

3有限元模型的建立

3.1几何模型

本文选择7×7全阵列的PBGA器件为研究对象，其组成元件自下而上包括PCB板、

Cu焊盘、焊点、基板、芯片以及模塑料，除焊点外各组件的尺寸参数如表1所示。

表1模型尺寸参数

组件尺寸/mm

PCB板13.5×13.5×0.8

Cu焊盘0.65×0.035

基板11.43×11.43×0.4

芯片5.1×5.1×0.3

模塑料9×9×1.2

为了比较不同焊点直径、焊点高度、焊点间距对其应力场的影响规律，本文选择了三种

不同的焊点直径，分别为0.56mm、0.66mm、0.76mm；三种不同的焊点高度，分别为0.4mm、

0.5mm、0.6mm；三种不同的焊点间距，分别为0.8mm、1.0mm、1.27mm。

当分析不同焊点直径的影响规律时，固定焊点高度为0.6mm，焊点间距为1.27mm；当

分析不同焊点高度的影响规律时，固定焊点直径为0.76m