摘　要： 

通過Surface Evolver軟件對(duì)LGA焊點(diǎn)進(jìn)行了三維形態(tài)預(yù)測(cè)，利用有限元數(shù)值模擬對(duì)LGA焊點(diǎn)在熱循環(huán)條件下壽命進(jìn)行了分析。研究了熱循環(huán)條件下LGA焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，隨著焊點(diǎn)遠(yuǎn)離元件的中心位置焊點(diǎn)所受到的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和塑性應(yīng)變能密度逐漸增大，從而得出處于外面拐角的焊點(diǎn)最先發(fā)生失效的結(jié)論?；谒苄詰?yīng)變范圍和Coffin-M anson公式計(jì)算了焊點(diǎn)熱疲勞壽命；找出了LGA焊點(diǎn)形態(tài)對(duì)焊點(diǎn)壽命的影響規(guī)律，模板厚度一定時(shí)PCB焊盤尺寸小于上焊盤時(shí)LGA焊點(diǎn)的熱疲勞壽命與PCB焊盤尺寸成正比，大于上焊盤時(shí)成反比，大約相等時(shí)焊點(diǎn)壽命最大。當(dāng)PCB焊盤和模板開孔尺寸固定時(shí)，通過增大模板厚度來增加焊料體積在一定程度上可提高LGA焊點(diǎn)的熱疲勞壽命，但是模板厚度增大到一定值時(shí)LGA焊點(diǎn)壽命會(huì)逐漸降低。

LGA（Land Grid Array）直譯就是柵格陣列封裝，通常稱作焊盤陣列封裝。是一種類似于BGA封裝但是底部沒有焊球的封裝形式，如圖1所示。表面組裝時(shí)LGA封裝可以先在PCB上印刷焊膏，通過再流焊接的方式完成組裝，也可以通過LGA插座與芯片連接。這樣的連接方式使芯片與PCB之間的距離明顯縮短，使得LGA的電氣性能更加優(yōu)越。正是因?yàn)長(zhǎng)GA有著這樣的優(yōu)勢(shì)，越來越多的芯片選擇用LGA的封裝方式。無(wú)論是現(xiàn)代的便攜式電子產(chǎn)品還是軍用雷達(dá)都越來越多地選擇應(yīng)用這種LGA封裝器件。然而封裝器件在工作過程中由于功率的損失和環(huán)境溫度的周期性變化，芯片載體和基板、焊點(diǎn)之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異會(huì)使焊點(diǎn)釬料內(nèi)產(chǎn)生周期性的應(yīng)力應(yīng)變過程,從而引起焊點(diǎn)的熱機(jī)械疲勞破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)LGA器件失效。因此，研究焊點(diǎn)熱疲勞可靠性問題對(duì)于焊點(diǎn)的可靠性研究和封裝設(shè)計(jì)極其重要。

本文應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，以LGA封裝的元器件LTM2881為研究對(duì)象，對(duì)不同形態(tài)的LGA焊點(diǎn)在熱循環(huán)條件下的熱疲勞壽命進(jìn)行研究，獲得了焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，并分析了PCB焊盤尺寸、模板厚度兩個(gè)形態(tài)參數(shù)對(duì)LGA焊點(diǎn)可靠性的影響規(guī)律，從而為提高LGA焊點(diǎn)的可靠性和LGA器件的PCB焊盤設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 建立模型 

1.1 LG A焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)

本文以LGA封裝的元器件LTM2881為研究對(duì)象，由于元器件的上焊盤固定，所以選擇改變PCB焊盤的尺寸和模板的厚度兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變LGA焊點(diǎn)的形態(tài)，并對(duì)這些焊點(diǎn)形態(tài)的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。形態(tài)參數(shù)見表1，基于最小能量原理利用Surface Evolver對(duì)LGA焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后提取LGA焊點(diǎn)的形態(tài)參數(shù)，在ANSYS中進(jìn)行三維有限元建模。PCB焊盤半徑不同的LGA三維焊點(diǎn)形態(tài)如圖2所示。

1.2 有限元模型建立

為了減少分析時(shí)間，提高分析效率，首先為該模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：忽略印刷銅線；不考慮制造過程中所造成的殘余應(yīng)力與應(yīng)變；溫度變化時(shí)模型整體溫度相等。考慮到模型結(jié)構(gòu)對(duì)稱采用1/4簡(jiǎn)化模型。元器件外形尺寸：15.00 mm×11.25 mm×2.82 mm，焊盤直徑 0.635 mm，焊盤間距 1.27 mm，塑封體 15.00 mm×11.25 mm×2.50 mm，基板15.00 mm×11.25 mm×0.32 mm，PCB尺寸30.00 mm×30.00 mm×1.60 mm，PCB焊盤的厚度0.025 mm。LTM2881底部焊盤分布圖如圖3所示。

根據(jù)Surface Evolver預(yù)測(cè)的三維焊點(diǎn)形態(tài)以PCB焊盤半徑0.305 5 mm、模板厚度為0.14 mm參數(shù)組合為例在ANSYS中建立有限元模型，PCB和塑封體采用較粗的網(wǎng)格劃分，焊點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域采用較細(xì)的規(guī)則六面體網(wǎng)格，如圖4所示。各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見表2，焊料SAC305的Anand方程參數(shù)見表3。

1.3 模型邊界條件和熱循環(huán)加載條件

邊界條件如圖5所示，熱循環(huán)加載按照美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)ML-STD-883規(guī)定選取溫度范圍-55 ℃～+125 ℃，升降溫速率為20 ℃min，高、低溫各保溫25 min，一個(gè)循環(huán)周期為68 min，熱循環(huán)溫度曲線如圖6所示。

2 LG A焊點(diǎn)形態(tài)對(duì)壽命影響的分析

2.1 關(guān)鍵焊點(diǎn)的確定

LGA元器件焊點(diǎn)整體的等效應(yīng)力分布圖如圖7所示，積累的塑性功分布云圖如圖8所示，隨著焊點(diǎn)遠(yuǎn)離元件的中心位置焊點(diǎn)所受到的等效應(yīng)力、塑性應(yīng)變能密度逐漸增大?？梢娍拷钸h(yuǎn)的焊點(diǎn)在熱循環(huán)的服役中最先發(fā)生失效，是失效分析的關(guān)鍵焊點(diǎn)。

2.2 焊點(diǎn)的壽命計(jì)算

選取關(guān)鍵焊點(diǎn)中所受應(yīng)力最大的單元節(jié)點(diǎn)為分析對(duì)象，在通過ANSYS后，處理器繪出關(guān)鍵焊點(diǎn)中所受等效應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)所在單元所受到的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，如圖9和圖10所示。

本文的LGA焊點(diǎn)壽命預(yù)測(cè)模型采用的是以塑性應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的Engel Maier疲勞模型，它同時(shí)考慮熱循環(huán)溫度和頻率的影響，實(shí)際上是對(duì)Coffin—Manson模型的修正，它指出破壞疲勞次數(shù)與每一循環(huán)周期中焊點(diǎn)塑性剪應(yīng)變之間的關(guān)系。Engel Maier疲勞模型為：

2.3 PC B焊盤尺寸對(duì)LG A焊點(diǎn)壽命的影響

利用上面的焊點(diǎn)壽命計(jì)算方法得到結(jié)果見表4，圖11是根據(jù)表4中的結(jié)果繪出了模板厚度固定為0.14 mm不變時(shí)，不同PCB焊盤尺寸對(duì)LGA焊點(diǎn)熱疲勞壽命影響的折線圖。從圖11中可以看到PCB焊盤半徑小于上焊盤半徑0.317 5 mm時(shí)，焊點(diǎn)熱疲勞壽命隨著PCB焊盤半徑的增大而增大，當(dāng)PCB焊盤尺寸接近上焊盤尺寸時(shí)壽命最大，超過上焊盤尺寸是時(shí)焊點(diǎn)的熱疲勞壽命呈下降趨勢(shì)。

2.4 模板厚度對(duì)LG A焊點(diǎn)壽命的影響

表5是當(dāng)PCB焊盤固定為0.305 5 mm時(shí)，模板開口與PCB焊盤一致時(shí)，厚度0.10 mm～0.18 mm，LGA焊點(diǎn)熱疲勞壽命結(jié)果。圖12繪出了LGA焊點(diǎn)壽命的影響折線圖。從圖12中可以看出，當(dāng)PCB焊盤固定不變，模板厚度增加時(shí)，LGA焊點(diǎn)的熱疲勞壽命也隨之增加，但是并不是一直增加的，當(dāng)模板厚度達(dá)到一定值時(shí)，其對(duì)焊點(diǎn)疲勞壽命影響變小，并且呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）從焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果得出，PCB焊盤的尺寸和開孔固定時(shí)模板的厚度是影響LGA焊點(diǎn)形態(tài)的主要參數(shù)；

（2）在熱循環(huán)中，處于邊角處的焊點(diǎn)所受到的等效應(yīng)力最大為46 MPa，等效塑性應(yīng)變最大為0.025 23，塑性應(yīng)變能密度最大為4.9×10 7 ，是焊點(diǎn)疲勞壽命分析的關(guān)鍵焊點(diǎn)，這一結(jié)論與文獻(xiàn)保持一致；

（3）當(dāng)模板厚度固定為0.18 mm時(shí)，PCB焊盤半徑小于上焊盤半徑0.317 5 mm時(shí)，焊點(diǎn)熱疲勞壽命隨著PCB焊盤半徑增大而增大，當(dāng)上下焊盤比例為0.96倍～1.04倍時(shí)，也就是上下焊盤基本相等時(shí)，可獲得較大熱疲勞壽命，PCB焊盤超過上焊盤尺寸時(shí)熱疲勞壽命隨PCB焊盤尺寸的增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；

（4）當(dāng)PCB焊盤尺寸固定為0.305 5 mm時(shí)，隨著模板厚度從0.10 mm增加到0.14 mm時(shí)，LGA焊點(diǎn)的熱疲勞壽命呈上升趨勢(shì)，但是模板厚度從0.14 mm再增大時(shí)，LGA焊點(diǎn)熱疲勞壽命會(huì)逐漸降低。