BGA单晶片和电路板的动态冲击分析与测试验证

摘要：本文针对Shock冲击对手机电路板上BGA锡球动态分析之研究，锡球会以最小的单元尺寸为0.0536mm在LS-DYNA 有限元软件上分析。由于目前一般研究的方法大多在电路板上靠近BGA封装晶片旁边，贴上应变规、加速规等感应器，经由量测讯号之撷取后再进行研究与解析，因此，本研究的方法是结合电脑辅助分析软件LS-DYNA进行BGA电路板的Shock冲击有限元素法的动态分析，并执行BGA电路板实物之Shock测试，再利用有限元素法分析的结果，探讨在动态冲击下BGA锡球最大von Mises应力之分布特性；经由分析与测试结果比较，得到二者的应变量大小吻合，，最小的差异为0.70%。可以确定本文所用的有限元素模型及其所用的相关材料性质之参数设定是正确的，此结果亦可供后续BGA电路板设计之参考。

关键字： Shock冲击，BGA，电路板（PCB），有限元素法。

1.前言

手持装置在撞击过程中将受到不同的力量和加速度的影响。而力和加速度的范围依赖于一些因素，取决于跌落时的高度，力量，形状，取向和物体表面。例如，冲击的加速度范围可以从几百G到几千G，持续时间从毫秒（ms）到数毫秒。有很多文献研究冲击试验和分析故障机构用于便携式电子产品。首先，Gyol [1]研究的防震保护手持装置。结果表明，高应力可能会损坏手机因塑料外壳变形而断裂，拆开组件，互连表面装载组件，剪切脆弱的部分，例如液晶显示开裂。Gyol [2]随后介绍手持装置跌落测试的方法，该方法有约束和自由方法的优点。测试产物悬浮到一个引导下拉表中所需的方向，下拉表撞击地面第一，但该产品是由悬浮释放，因此它可以影响之前之后的移动奔放。

当手持装置跌落到地面上，冲击力通过产品外壳到电路板内传送。 电路板的这些冲击力的回应将判断是否会发生组件或互连故障。在实际产品降低响应将有助于现实的板级冲击试验的设计。Lim[3-4]研究了产品与电路板与落下测试的机械反应与改善对策；并冲击影响电路板上的电子元件。根据研究结果，冲击试验将影响到到这类产品并可导致内部电子元件或封装到电路板的互连故障。

大部分的研究工作或者是纯粹的数字或实验研究表明，我们只能找到相关的两个冲击试验和模拟焊点的可靠性少数出版物。Lim[5]在四方扁平无引线（QFN）封装研究IC封装与焊点。在后者的研究中，详细到跌落测试和模拟并在平层面进行执行。根据比较的结果，有限元素模型分析具有的加速度和冲击持续时间的峰值非常接近那些在实际的跌落试验测定。

手持装置面临降低尺寸，更轻的重量和增加功能的相互冲突的需求。一种满足上述要求的最重要的解决方案，是采用电路板的BGA与锡球的芯片组的设计。但是，很难模拟在整个电话模型的BGA锡球，因为所有的部件都是小而需要精细的网格，这样它会增加CPU的运行时间和计算机的成本。本次调查能够获得BGA锡球的力学行为，但无法发现的BGA锡球的内部应力。在我们的文章中，我们探讨一个电路板水平下震动冲击的BGA锡球，以计算穿过BGA锡球的内部应力。对于BGA锡球这种非常小尺寸之电子元件在Shock动态冲击下研究，本文将建立BGA锡球最小元素大小为0.0536mm之有限元素模型，并利用电脑辅助分析软件LS-DYNA进行有限元素Shock动态分析，配合BGA锡球电路板实物Shock冲击动态测试，分别得到测试分析之结果来比较。

2.有限元素分析

2.1 有限元素模型：

考虑单一BGA晶片在电路板上之分析，该模型包含电路板，锡球，BGA封装，应变仪和夹具。我们使用了大量的元件类型，如膜，壳和实体单元来模拟不同的部分。该模型共包含7，771薄壳元素和22，515固体元素。详细说明如下：

电路板：

一般在手机产业电路板常见之堆叠层和厚度，以8层板及0.8mm～1.2mm厚度为主2毫米的叠层结构。本文考虑其材料性质为弹与其具备等向性特征。因此，有限元素网格以薄壳元素为主，其中四边形元素共有7126个，而三角形元素则有645个.

BGA锡球：

为了符合欧盟RoHS之环保要求，市面上已有一系列不同成分的无铅制程材料，本文考虑以3.0Ag-0.5Cu - 96.5Sn材料为主，88个锡球在一个BGA芯片组，又因单一锡球直径的尺寸只有0.45 mm大小，为了考虑分析之准确性与分析耗费的时间，在进行有限元素网格大小切割时，每一颗锡球被切割成72个六面体元素及40个五面体之固体元素，最小元素尺寸为0.0536mm，BGA晶片共有88颗锡球，也就是总共有9856个固体元素，包含6336个六面体元素及3520个五面体元素。

3.封装材：

环氧树脂是在便携式电子产品芯片封装中使用的主要材料。为了简化有限元素模型，考虑为一整体相同塑胶封装材，其元素以六面体为主，总共有12189个固体元素，包含10797个六面体元素及1392个五面体元素。

4.夹具：

夹具组成以四根定位支撑柱为代表，其材料是不锈钢材。因为钢板及螺丝皆是实心且厚度很厚之材料，当承受Shock冲击力时，其变形量将非常微小，为了简化有限元素模型大小，将钢板及螺丝予以省略，只考虑四支定位柱，在此案例中，皆使用六面体固体元素，来建立有限元素网格，总共有470个六面体固体元素，并将电路板与定位支撑柱直接以节点合并之方式固定在一起。

2.2 负载条件：

本研究负载条件考虑Shock机台常使用波形为主，以半正弦波峰值150Grms及持续时间6ms为试验及分析负载初始条件，只考虑机台摩擦力及阻尼材质特性，实际测试曲线无法完全达到纯半正弦波曲线，将有限元素法分析之负载条件改用相同测试之曲线输入，经由四根支撑柱设定为一组节点群体，再输入负载曲线。

3 Shock冲击测试

冲击测试设备一般由三个系统组合而成，一为加速规及其讯号撷取卡，二为讯号处理系统软件与电脑硬件，三为冲击试验平台与手动升降控制机构。

应变规与电路板连接方式，常用瞬间胶将应变规黏贴在待测件表面平整位置，另考虑贴在靠近BGA封装晶片旁边，本文选择将应变规贴在距板边2.5及1.0公分之位置，根据应变规之理论公式与欧姆定律得到下列关系式：

εx = 4 x （1/S） x （Vo/Vs）. 公式 （1）

经由惠斯顿电桥，应变值εx将由输出电压值Vo大小来决定，式中Vs则由电源供应器提供电压值，从电源供应器处理好的讯号，经由BNC接头输出端接到另一套双通道之动态讯号分析仪，将可有效表示出应变值时间之变化量。

4.结果与讨论

4.1 Shock测试讯号重复性与稳定性

经由黏贴在Shock冲击机平台加速规输出的曲线及资料，在每种测试条件下，皆会执行连续五次之验证撷取其中二十次试验结果，本研究用Shock机台之重复性及稳定性皆佳，不只在加速度G值的变异量很小，且每次量测在时域上皆保持在6ms左右，其结果显示每次冲击曲线接近理想状况，几乎为同一条曲线，也就是输入讯号曲线之重复性与准确性非常高。

4.2 应变规输出讯号重复性与稳定性

在输出讯号上，每种测试条件下，分别记录5次之输出讯号，各撷取其中不同板厚测试值结果，每次输出应变值之峰值也是稳定收敛的。另一方面，在每次换待测件与不同应变规进行冲击测试前，皆会先进行应变规归零校正并量测其初始应变量，然后，再与冲击测试后之输出应变值进行杂讯比之比较，经由多次记录，其初始应变量落在5～ 20 με之间，在最大误差状况下，其最大杂讯比约在10：1附近，因此应变撷取系统之可信度也是非常高的。

4.3 测试与分析应变数值结果

经由三种不同电路板板厚之应变值比对，其中测试数据取五次量测平均值，得到的最大应变数值在分析与测试比对结果上，其最小差异值为0.70%，而最大差异值为5.37%，以非线性有限元素动态分析而言，其结果已相当接近，可确定本文所建立之有限元素模型及其相关材料性质等参数设定，在准确度达到一定水准。

4.4 BGA锡球分析应力数值结果：

根据电路板上的BGA锡球动态应力分析，分析后最大von Mises应力值都是位于BGA锡球群最外面四个角落其中之一颗，详细应力分布如图1所示。也就是说，当外力造成BGA锡球损坏时，最外面四个角落锡球承受最大应力负载且最快损坏，因此，只要能降低并解决四个角落锡球的应力问题，则整个BGA锡球群就不会产生因外力所造成的损坏情况。

4.5 不同厚度的电路板对BGA锡球的强度的影响

对三种不同电路板的厚度为0.8毫米，1.0和1.2mm进行了研究，本文基于上述尺寸最大的von Mises应力值的差异列于表1所示。从其中给定的数字，很明显对BGA锡球的强度增加了约20%时的厚度增加了0.2毫米。

5. 结论

本文以单一BGA晶片在电路板上，进行完整尺寸及包含所有BGA锡球之冲击动态测试与有限元素法分析之研究，可得到以下结论：

（1）本研究内容包含所有BGA锡球之冲击动态测试与有限元素分析，经由三种不同电路板板厚之应变值比对，其差异值为0.7%～5.37%，其结果已相当合理，准确度达到一定水准。

（2）数值分析后得到的最大von Mises应力都是位于BGA锡球群最外面四个角落其中之一颗，也就是说，只要降低并解决四个角落锡球应力问题，即可解决BGA锡球群因外力所造成的损坏问题。

（3）根据分析结果，不同厚度电路板上的BGA锡球强度的影响是显而易见的。我们推荐在设计开始阶段的电路板厚度必须超过1.0毫米。

6. 参考文献

[1] J. Wu： Drop simulation with LS-DYNA. Proceedings of the LS-DY$A Taiwan Users Conference，Taipei， （2006）， p. 28～38.

[2] S. Goyal， and E. K. Buratynski： Method for Realistic Drop-Testing. International Journal Microcircuits & Electronic Packaging， Vol. 23， No. 1 （2000）， p. 45～52.

[3] C. T. Lim， and Y. J. Low： Investigation the drop impact of portable electronic products. Electronic Components and Technology Conference， （2002）， p. 1270～1274.

[4] Senju Metal Industry Co.，LTD （SMIC）. High reliability Pb-free solder paste-M705-GRN360-K-V-series. TC-P40-3.4E， （2004）.

[5] C. T. Lim， Eric Pek， Y. T. Tong， S. N. Hun， and Z.W. Zhong： Drop test and impact life prediction model for QFN packages. Journal of SMT， Vol. 16， Issue 3 （2003）， p. 31～39.

作者简介：刁学平（1981年-1月），女，汉族，上海人，在职研究生，上海师范大学计算机技术专业硕士，主要从事计算机仿真技术研究