基于ABAQUS的BGA封装振动应力分析

摘要：利用工程软件ABAQUS，针对带有BGA列阵的封装结构在振动载荷下的应力进行了非线性有限元模拟，探讨BGA焊球的应力分布规律和影响因素，确定振危险焊球的位置，为焊球的可靠使用提供依据。

关键词：BGA封装，振动载荷，有限元，数值模拟

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：

引言

随着电子工业得到了迅猛发展，球栅阵列BGA（Ball Grid Array）封装技术是近年来国内外迅速发展起来的一种新型封装技术，广泛应用于便携式的电子产品中[1-2]，其可靠性问题日益突出。

一般认为，导致焊点失效的主要原因是热疲劳和冲击跌落，为失效总数的80％，但同时在振动条件下失效率为20％[3]，因此当芯片工作在振动条件下时也会产生疲劳破坏。PBGA作为最常用的封装结构，其焊点的疲劳可靠性也日益突出。Intel公司的S.F.Wong等人[4]，提出在工程中不能直接测得焊点的应力应变情况，可以通过测试PBGA基板的应变来推断焊点的变化，同时证明了焊点与基板在振动条件下的应变呈线性关系并给出了实验方法。Y.B. Kim等人[5]对PbSn和Pb-free两种焊料在15、25Hz、三种混合应力模式的振动载荷下力学行为进行了实验研究和数值模拟，重点探讨了应力加载模式的影响。Y.S. Chen[6]等人使用有限元模拟和振动测试相结合的方法，通过振动疲劳试验测得试样在某一激振载荷作用下焊点失效的循环次数，并且将实验过程中固定于试样上的加速度传感器采集的位移数据作为有限元模拟的边界条件，计算相应的焊点应力，从而将失效循环次数与应力值联系起来，绘制二者的关系曲线并进行拟合建立失效模型，再进一步通过试验对所建立的模型进行检验，得出了较好的结果，对于振动条件下焊点疲劳寿命预测具有极其重要的意义。

本文利用工程软件ABAQUS，针对带有BGA列阵的封装结构在振动载荷下的应力应变行为进行了非线性有限元模拟，探讨了了BGA焊球的应力分布规律和影响因素，确定了振危险焊球的位置，为焊球的可靠使用提供依据

二、BGA封装在振动载荷下的有限元分析

1 BGA封装结构

BGA封装结构主要由印刷电路板、芯片和BGA焊球列阵构成。电路板尺寸为mm，芯片为mm，BGA为1616的焊点阵，焊球直径为0.55mm。采用三维实体建模，模型中有49856个单元，71514个节点。PCB、芯片为线弹性材料，焊点为理想弹塑性材料，边界条件为一边固定，三边自由，在固支边界处施加频率为f=110Hz的正弦位移载荷，采用ABAQUS/explicit求解器中的完全瞬态法求解BGA封装的振动响应。

2 焊点振动应力分析

2.1BGA焊点列阵应力分布

图1出了振幅为0.8mm、时间为四分之一周期时，整体焊点阵列的应力分布云图。从图中可已看出，对于焊点阵列的行焊点来说，最上一行焊点和最下一行焊点的应几乎相同，且都大于其他行焊点的应力。在同一行焊点中，中间焊点应力相对来说比较小，两端焊点应力比较大，且靠近固支端的焊点应力极大值大于靠近自由端的焊点应力极大值；对于焊点阵列的列焊点来说，最左边一列焊点得应力和最右边一列焊点的应力都大于其他焊点的应力，且最左边一列焊点的应力大于最右边一列焊点的应力。在同一列焊点中，中间焊点应力相对来说比较小，上下两端焊点应力比较大，且上端焊点应力极大值大与下端的焊点应力极大值几乎相同，这种应力分布规律与Y.S. Chen [6]等人所得到应力分布规律相类似。

图1 焊点阵列应力分布

2.2 单个焊点应力分布情况

BGA列阵振动应力的“盆状”分布的特性，使得列阵中左上角和左下角的焊球有最大的振动应力。图2给出了BGA列阵中左上角和左下角两个焊球的应力分布云图。从图中可以看出，在载荷振幅为0.8mm时，靠近固定边的两个角点处焊球的最大振动应力可达到62.98MPa，并且最大应力位于焊点靠近芯片一侧，且沿着焊点边缘。

（a）左上角焊点 （b）左下角焊点

图2两个角点处焊点应力分布图

综上所述，BGA封装在振动载荷作用下，振动应力最大的危险焊点位于第1列焊点的上下两个角焊点上，即左上角和左下角焊点。通过与实验中得到的焊点阵列裂纹分布规律（另文中介绍）进行对比可知，焊点阵列应力分布规律与焊点阵列裂纹分布规律相同，且单个焊点应力分布规律与焊点裂纹分布、扩展规律相对应，进一步验证有限元分析得到的结果是正确的。

三、结论

使用有限元软件ABAQUS对BGA封装在振动载荷下的焊球应力进行了数值模拟，得到如下结论：

（1）对于单个焊点，最大应力位于焊点靠近芯片一侧，且沿着焊点边缘，振幅为0.8mm时，振动应力的最大值可达62.98MPa。

（2）对于整体焊点阵列，每一行、每一列焊点应力均为两端大、中间小的盆状分布，应力的最大值位于靠近固定端的第一列焊点的上、下角两个焊点上。

（3）BGA焊点阵列应力分布规律与焊点阵列裂纹分布规律相对应，验证了文中有限元数值模拟得到的结果的有效性。

参考文献：

张蜀平，郑宏宇. 电子封装技术的新进展[J]. 电子与封装，2004，15(1)：3-9.

岑玉华. 球栅阵列封装[J]. 电子元器件应用，2003，2(9)：37-38.

陈子夏，杨平，谭广斌. PBGA组件振动疲劳寿命的实验研究 [J]. 半导体技术，2008，33(11)：1028-1031.

S. F. Wong, P. Malatkar．Vibration testing and analysis of ball grid array package solder joints [C]. IEEE 57th Electronic Components and Technology Conf．Reno, Nevada, USA, 2007: 373-380.

YoungBae Kim, Hiroshi Noguchi, Masazumi Amagai. Vibration fatigue reliability of BGA-IC package with Pb-free solder and Pb-Sn solder [J]. Microelectronics Reliability 2006, 46: 459-466.

Y.S. Chen, C.S. Wang, Y.J. Yang. Combining vibration test with finite element analysis for the fatigue life estimation of PBGA components [J]. Microelectronics Reliability, 2008, 48: 638–644.