abaqus 焊點(diǎn)分析的案例
SMT焊點(diǎn)的可靠性研究及CBGA焊點(diǎn)有限元分析
利用微焊點(diǎn)強(qiáng)度測(cè)試儀(STR－1000)對(duì)QFP焊點(diǎn)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的測(cè)試，研究了引腳數(shù)、焊膏成分(選擇SnPb和SnAgCu焊膏為代表)對(duì)其力學(xué)性能的影響，借助掃描電子顯微鏡對(duì)焊點(diǎn)斷裂處的形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在相同引腳數(shù)的條件下，SnAgCu焊膏的QFP焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度大于SnPb焊膏的QFP焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度；在焊膏成分相同時(shí)，100引腳QFP焊點(diǎn)的強(qiáng)度大于48引腳QFP焊點(diǎn)的強(qiáng)度。
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展開(kāi) ABAQUS裂紋尖端應(yīng)變、裂紋擴(kuò)展模擬及問(wèn)題
前幾天有人問(wèn)我ABAQUS做焊點(diǎn)分析，我一看他給我的一片文獻(xiàn)，其實(shí)是用ABAQUS做裂紋擴(kuò)展分析。之前也沒(méi)接觸過(guò)裂紋分析，于是照貓畫(huà)虎做了個(gè)算例，但是裂紋沒(méi)有擴(kuò)展。
ABAQUS做裂紋有三種方法：contour integral，擴(kuò)展有限元及VCCT法，這里用了contour integral法。
如圖所示，V形楔形處有一個(gè)預(yù)制裂紋，是采用Interaction模塊的assign seam設(shè)定的，裂紋的擴(kuò)展面及方向是通過(guò)crack來(lái)設(shè)定的，類型為contour integral。材料模型定義了塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，彈性參數(shù)、GTN參數(shù)、脆性失效參數(shù)等。模型上的兩個(gè)孔，一個(gè)固支、一個(gè)勻速拉。預(yù)期當(dāng)裂紋尖端的單元變形達(dá)到某一個(gè)值時(shí)將刪除單元。
您看見(jiàn)了就給個(gè)意見(jiàn)唄。
步驟：
建立模型，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膒artition
定義材料：分別定義了elastic彈性參數(shù)、plastic真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、GTN模型參數(shù)、脆性失效參數(shù)（包括一個(gè)叫演化參數(shù)）。
定義預(yù)制裂紋、定義裂紋擴(kuò)展面、方向，定義失效單元的generation。
邊界條件，提交job，查看結(jié)果。
結(jié)果：預(yù)期模型在塑性變形不是很大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，但是模型產(chǎn)生了很大塑性變形后仍然沒(méi)有發(fā)生失效。
Mises應(yīng)力場(chǎng)：
x方向正應(yīng)力場(chǎng)
x方向真實(shí)應(yīng)變場(chǎng)
x方向塑性應(yīng)變場(chǎng)
裂紋尖端應(yīng)變的結(jié)果還是挺漂亮的，雖然正確性有待考證，如果裂紋出來(lái)了就完美了，可惜裂紋沒(méi)出來(lái)。
展開(kāi) BGA封裝焊點(diǎn)動(dòng)靜力學(xué)與溫度場(chǎng)耦合仿真分析 ￥9.9
接觸設(shè)置
在邊界條件設(shè)置中，芯片與底板通過(guò)焊點(diǎn)連接，設(shè)置焊點(diǎn)兩側(cè)分別與與芯片、底板綁定接觸，環(huán)氧樹(shù)脂采用粘結(jié)單元（cohesive單元）設(shè)置。
4. 邊界條件設(shè)置
按照實(shí)際情況在PCB板模型中設(shè)有8個(gè)安裝孔，施加相應(yīng)預(yù)緊力矩模擬真實(shí)安裝情況。為了模擬PCB板翹曲帶來(lái)的影響，模擬弓曲惡劣情況，在中間兩個(gè)孔中（2、6）施加了與翹曲方向相反的位移邊界條件，如下圖所示。
圖2-3 DSP器件建模布局和翹曲模擬示意圖
建模示意圖和實(shí)物圖如下圖所示。
(a)建模示意圖
(b)實(shí)物圖
圖2-4 DSP焊點(diǎn)建模與實(shí)物對(duì)照?qǐng)D
2.2 DSP器件不同翹曲度下應(yīng)力分析
2.2.1 翹曲度
根據(jù)實(shí)物要求，本章節(jié)基于不同翹曲度，分別分析了焊球、芯片、PCB板、四周點(diǎn)環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)力極值以及應(yīng)力分布，探究影響DSP器件的關(guān)鍵因素。
翹曲度=單個(gè)角翹起高度/(PCB對(duì)角線長(zhǎng)*2)*100%
翹曲度尺寸如下圖所示。
圖2-5 PCB翹曲度
2.2.2 不同翹曲下焊球應(yīng)力分析
下面給出結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)陣中的最大應(yīng)力值與應(yīng)力云圖，如下圖所示。
(a)翹曲度0.003
(b)翹曲度0.005
(c)翹曲度0.007
(d)翹曲度0.008
圖2-6 不同翹曲度下焊球應(yīng)力云圖與極值
2.2.3 不同翹曲下芯片應(yīng)力分析
下面給出芯片部位的最大應(yīng)力值與應(yīng)力云圖，如下圖所示。
展開(kāi) Abaqus Anand UMTA 腳本，用于芯片焊點(diǎn)壽命評(píng)估 ￥10
在先進(jìn)封裝如BGA、WLCSP、SiP與3D集成中，焊點(diǎn)長(zhǎng)期經(jīng)受芯片功耗發(fā)熱與外部環(huán)境溫差的交替作用，其微觀組織不斷經(jīng)歷熱脹冷縮和蠕變松弛。由于芯片（Si）、基板（BT/FR-4/陶瓷）與焊料（SnAgCu）之間存在顯著熱膨脹系數(shù)差異，反復(fù)的熱應(yīng)力和剪切應(yīng)力會(huì)在焊點(diǎn)頸部和角部區(qū)域集中，促使疲勞裂紋逐步萌生并向內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致虛焊或開(kāi)路等失效形式。傳統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)多依賴經(jīng)驗(yàn)曲線和統(tǒng)計(jì)公式，但在新材料體系、更復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)以及多變工況下往往適用性不足。因此，行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向機(jī)理驅(qū)動(dòng)的數(shù)值模擬：利用Abaqus平臺(tái)構(gòu)建器件有限元模型，通過(guò)用戶子程序UMAT嵌入焊料真實(shí)的黏塑-蠕變本構(gòu)行為，并結(jié)合ΔW（非彈性能量密度）、Δε（應(yīng)變幅）等物理量作為壽命驅(qū)動(dòng)參量，借助 Darveaux、Engelmaier或Coffin–Manson等壽命律建立“循環(huán)響應(yīng)—失效壽命”的映射關(guān)系。這一方法不僅能揭示失效機(jī)理，還能在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)壽命分布，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化與可靠性提升提供科學(xué)依據(jù)。
展開(kāi) 
Abaqus中焊點(diǎn)模擬方法
1.焊點(diǎn)模擬操作方法：
Abaqus中焊點(diǎn)模擬，常用的是fastener方式，單元類型為*CONN3D2。在Hypermesh中，生成焊點(diǎn)操作步驟為：
（1）進(jìn)入焊點(diǎn)面板：1D>connectors>spot；
（2）將焊點(diǎn)類型切換至fastener；
（3）從CATIA中導(dǎo)入焊點(diǎn)文件（制作為焊核幾何中心的點(diǎn)）；
（4）在num layers中根據(jù)焊點(diǎn)的層數(shù)，選擇tatal 2為兩層焊點(diǎn)，total 3為三層焊點(diǎn)；
（5）選取焊點(diǎn)后，creat焊點(diǎn)
焊點(diǎn)生成后，需要設(shè)置焊點(diǎn)屬性。焊點(diǎn)屬性分為兩個(gè)部分，一部分用于指定connector的屬性，即定義*CONN3D2單元的類型；另一部分用于設(shè)置焊點(diǎn)的尺寸。
（1）指定*CONN3D2屬性為焊點(diǎn)：
*CONNECTOR SECTION，ELSET=HMprop_HM_C_1
JOIN,ALIGN
或者，
*CONNECTOR SECTION，ELSET=HMprop_HM_C_1
BEAM，
（2）指定焊點(diǎn)尺寸：
*FASTENER PROPERTY, NAME = HM_P_1
3.0 ,
以上設(shè)置完成后，即完成焊點(diǎn)模擬。
展開(kāi) 基于Simsolid的焊點(diǎn)可靠性分析
1 背景
芯片焊點(diǎn)的可靠性分析是評(píng)價(jià)電子產(chǎn)品可靠性的重要內(nèi)容。芯片等元器件經(jīng)過(guò)與電路板的焊接后，需要經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證可靠性。通過(guò)有限元對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行可靠性分析，評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝，能夠顯著提升可靠性，降低研發(fā)成本。
在傳統(tǒng)的有限元分析中，劃分合適的網(wǎng)格是占據(jù)仿真工程師主要精力和時(shí)間的一件事情，特別是像焊點(diǎn)與芯片和電路板這種尺寸相差較大的結(jié)構(gòu)在一起分析的問(wèn)題，要么造成網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大，分析成本大幅增加，要么造成分析精度下降，分析結(jié)果不可信。
Simsolid的無(wú)網(wǎng)格技術(shù)，使得消耗仿真工程師大量精力的網(wǎng)格劃分步驟不再重要，能讓工程師能把更多的精力放在分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作上來(lái)。
本文利用一個(gè)簡(jiǎn)化的溫度循環(huán)工況下的焊點(diǎn)可靠性分析案例，展示使用Simsolid進(jìn)行分析的優(yōu)勢(shì)。
2 問(wèn)題描述
上圖為芯片與PCB焊接的結(jié)構(gòu)模型，BGA焊點(diǎn)與芯片和PCB的焊盤(pán)連接。溫度循環(huán)工況最大溫差為100℃。材料參數(shù)如下表所示。
展開(kāi) hypermesh_abaqus中fastener焊點(diǎn)單元和襯套BUSH單元?jiǎng)?chuàng)建流程 ￥1
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基于optistruct+ncode的ACM實(shí)體單元焊點(diǎn)疲勞分析 ￥25
本案例將詳細(xì)展示如何在nCode疲勞軟件中模擬ACM體單元焊點(diǎn)疲勞壽命的全過(guò)程。靜力學(xué)分析及建模是在optistruct中完成，ACM焊點(diǎn)疲勞分析是在ncode中完成。
ACM體單元是一種面域連接單元，為Nastran、Optistruct等有限元軟件特有的單元類型，本例通過(guò)完整的過(guò)程，演示ACM體單元焊點(diǎn)的疲勞計(jì)算步驟。所涉及軟件為：
Hypermesh：建立有限元模型
Optistruct：進(jìn)行靜力計(jì)算
nCode：進(jìn)行焊點(diǎn)疲勞計(jì)算
創(chuàng)建ACM體單元。使用spot功能創(chuàng)建ACM體單元，具體步驟為：1D-connector-spot：
1）location處，根據(jù)需要選擇ACM體單元焊點(diǎn)位置，一般用node
2）connect what 處，comp選擇焊點(diǎn)連接的兩個(gè)組件，本例為shell-1和shell-2；tolerance為連接容差，需設(shè)置為大于等于上下平板的間隙，但是不能大太多，以免誤連接。本例板間距10mm。
3）type處選擇ACM體單元的創(chuàng)建形式，推薦選用ACM（shell gap）；
4）diameter為ACM體單元直徑，焊核六面體單元大小，可根據(jù)實(shí)際焊點(diǎn)大小或者企業(yè)數(shù)據(jù)設(shè)置。
ncode中焊點(diǎn)疲勞計(jì)算過(guò)程
打開(kāi)ncode，創(chuàng)建圖示的工作流程FEinput+SpotweldAnalysis+FEdisplay。
本案例模型及相關(guān)操作見(jiàn)附件、收費(fèi)內(nèi)容部分，凡購(gòu)買(mǎi)本案例的朋友，結(jié)合附件中的模型及相關(guān)操作說(shuō)明在仿真操作上還有什么疑問(wèn)，請(qǐng)與我溝通交流。
展開(kāi) 電路板焊點(diǎn)失效分析技術(shù)與案例
焊點(diǎn)的失效一方面來(lái)源于生產(chǎn)裝配中的焊接故障,如釬料橋連、虛焊、曼哈頓現(xiàn)象等;另一方面是在服役條件下,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),由于元器件與基板材料存在的熱膨脹系數(shù)差,在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力,應(yīng)力的周期性變化會(huì)造成焊點(diǎn)的疲勞損傷,同時(shí)相對(duì)于服役環(huán)境的溫度,SnPb釬料的熔點(diǎn)較低,隨著時(shí)間的延續(xù),產(chǎn)生明顯的粘性行為,導(dǎo)致焊點(diǎn)的變損傷。
hm+ncode焊點(diǎn)疲勞分析教程 ￥8.25
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懂得都懂，不逼逼
Hypermesh聯(lián)合Abaqus仿真：教你如何三步建立焊點(diǎn) ￥2.9
在使用hypermesh做abaqus仿真的前處理時(shí)，由于版本以及定義方式等區(qū)別，常常發(fā)生一些錯(cuò)誤，導(dǎo)致在hypermesh中定義的特征無(wú)法在abaqus中識(shí)別。比如焊點(diǎn)Fastener的建立，在網(wǎng)上搜了很多資料，講的云里霧里，經(jīng)過(guò)自己的摸索，下面講一下如何在hypermesh中正確建立焊點(diǎn)，并且被abaqus識(shí)別為有效特征。
BGA焊點(diǎn)的失效分析及熱應(yīng)力模擬
：焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題是發(fā)展球柵陣列（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ，ＢＧＡ）技術(shù)需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本論文采用立體顯微鏡檢查、ｘ—ｒａｙ檢查、金相切片分析、ＳＥＭ、ＥＤＸ等方法詳細(xì)分析了失效ＢＧＡ焊點(diǎn)的微結(jié)構(gòu)、裂紋情況、金屬間化合物、及空洞對(duì)可靠性的影響，得出引起焊點(diǎn)失效的主要原因。在此基礎(chǔ)上，采用ＡＮＳＹＳ有限元軟件，模擬分析了熱載荷作用下ＣＢＧＡ焊點(diǎn)的三維應(yīng)力應(yīng)變行為。研究了影響焊點(diǎn)（鼓形、柱形）熱應(yīng)力應(yīng)變分布的幾個(gè)因素（半徑、高度、間距），為在實(shí)際焊接過(guò)程中，對(duì)從焊點(diǎn)形態(tài)的角度控制焊點(diǎn)質(zhì)量提供了理論依據(jù)。同時(shí)還研究了兩種典型無(wú)鉛焊球（Ｓｎ９５．５／Ａ９３．８／Ｃｕ０．７，Ｓｎ９６．５／Ａ９３．５）與含鉛焊料（Ｓｎ／３７Ｐｂ）的熱應(yīng)力應(yīng)變分布，并對(duì)結(jié)果作了分析比較。得出Ｓｎ９５．５／Ａ９３．８／Ｃｕ０．７焊點(diǎn)的ｖｏｎｍｉｓｅｓ等效應(yīng)力應(yīng)變最大值小于Ｓｎ９６．５／Ａ９３．５焊點(diǎn)與Ｓｎ／３７Ｐｂ焊點(diǎn)，為電子焊料無(wú)鉛化材料體系的選擇提供了理論依據(jù)
BGA焊點(diǎn)的失效分析及熱應(yīng)力模擬.pdf
展開(kāi) 焊點(diǎn)失效的熱振耦合疲勞仿真分析
3.3 有限元模型網(wǎng)格劃分
? 非重要部位網(wǎng)格劃分較粗，對(duì)焊點(diǎn)等關(guān)心部位嚴(yán)格采用高質(zhì)量網(wǎng)格劃分方法；
? 網(wǎng)格收斂性檢查。
3.4 模型驗(yàn)證
通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)和有限元模態(tài)分析，將整體固有頻率和固有振型進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證有限元模型的正確性。
3.5 邊界條件設(shè)置
不同輸入及PCB邊界條件對(duì)焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞可靠性將會(huì)產(chǎn)生影響——外因
3.6 測(cè)試與建立仿真模型
? 測(cè)試確定產(chǎn)品仿真等效阻尼
? 測(cè)試確定產(chǎn)品等效材料模型
? 建立整體振動(dòng)響應(yīng)分析仿真模型
△圖6：關(guān)鍵焊點(diǎn)有限元分析
4、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法研究（模型驗(yàn)證）
? 測(cè)算PCB中心撓度值
? 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)
? 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比
5、熱振耦合條件下焊點(diǎn)失效機(jī)理研究
5.1 板級(jí)熱振耦合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（將PCB板組裝到振動(dòng)臺(tái)）
5.2 熱振耦合條件下溫度載荷設(shè)定
5.3 板級(jí)熱振耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真
△圖7：不同PCB板不同溫度循環(huán)之后的功率譜密度
△圖8：五個(gè)循環(huán)后計(jì)算功率譜密度與測(cè)試功率譜密度比較
△圖9：熱振耦合后的焊點(diǎn)開(kāi)裂行為
6、焊點(diǎn)損傷機(jī)理研究
? 基于疲勞實(shí)驗(yàn)與SEM研究損傷起源與擴(kuò)展
? 觀察裂紋早期位置研究裂紋萌生規(guī)律
? 通過(guò)觀察焊點(diǎn)完全失效路徑研究裂紋擴(kuò)展路徑
? 分析裂紋在層間擴(kuò)展路徑研究焊點(diǎn)破壞模式
△圖10：熱振耦合后的焊點(diǎn)開(kāi)裂行為
備注：
IMC是Intermetallic compound之縮寫(xiě)，筆者將之譯為"介面合金共化物"。廣義上說(shuō)是指某些金屬相互緊密接觸之介面間，會(huì)產(chǎn)生一種原子遷移互動(dòng)的行為，組成一層類似合金的"化合物"，并可寫(xiě)出分子式。在焊接領(lǐng)域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。
展開(kāi) 焊點(diǎn)氣泡（空洞）的危害及其產(chǎn)生原因分析
來(lái)源：SMT之家（ID：SMT-DIP-TEST）
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基于HyperWorks焊點(diǎn)等效方法在白車身分析中研究
彎曲剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果為40989N·mm/deg和CAE分析結(jié)果為39500N·mm/deg，誤差在5%以內(nèi)，基于5×5mm的網(wǎng)格采用等效acm焊點(diǎn)模型可以用于白車身的彎曲剛度的計(jì)算。
圖6 白車身彎曲剛度分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
5 總結(jié)
本文對(duì)焊點(diǎn)類型進(jìn)行了研究，找出合理的焊點(diǎn)等效方法，并應(yīng)用于汽車白車身的分析，將CAE分析值與實(shí)驗(yàn)方法獲得的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，得出基于5×5mm的網(wǎng)格采用等效acm焊點(diǎn)模型計(jì)算的白車身模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差均在5%以內(nèi)，一致性較好。研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)白車身的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作有參考價(jià)值，也有助于縮短開(kāi)發(fā)周期。
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