應(yīng)力，熱分析，流體，焊點(diǎn)失效，運(yùn)動(dòng)
關(guān)注創(chuàng)建者：c 創(chuàng)建時(shí)間：2016-03-16
應(yīng)力，熱分析，流體，焊點(diǎn)失效，運(yùn)動(dòng)的實(shí)例教程
：焊點(diǎn)可靠性問題是發(fā)展球柵陣列（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ，ＢＧＡ）技術(shù)需解決的關(guān)鍵問題。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 △圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素
4、 焊點(diǎn)失效的四種模式：
4.1 熱交變應(yīng)力破壞失效
? 溫度變化
? 材料蠕變損傷
? 變形與裂紋擴(kuò)展
4.2 疲勞破壞失效
?由振動(dòng)載荷引起的高周疲勞失效
4.3 化學(xué)因素腐蝕破壞失效
? 水分、氧氣其他離子
? 化學(xué)反應(yīng)腐蝕
? 粘結(jié)強(qiáng)度等機(jī)械性能降低
4.4 動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷破壞失效
? 跌落、沖擊和振動(dòng)
? 開裂、脆裂等損傷
研究?jī)?nèi)容
△圖3：焊點(diǎn)熱耦合疲勞仿真分析內(nèi)容
1、基本力學(xué)參數(shù)的獲取
? 調(diào)研焊點(diǎn)、焊腳的材料屬性
? 試驗(yàn)獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學(xué)性能參數(shù)
? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構(gòu)關(guān)系
2、疲勞數(shù)據(jù)庫(kù)的建立
? 通過疲勞試驗(yàn)建立材料、界面相的疲勞特性曲線
? 建立單個(gè)焊點(diǎn)的有限元分析模型
? 加載循環(huán)載荷預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的疲勞壽命與失效位置
? 通過與實(shí)驗(yàn)比較，對(duì)有限元分析模型進(jìn)行驗(yàn)證
△圖4：不同封裝結(jié)構(gòu)下無(wú)鉛SAC305焊點(diǎn)的S-N曲線
3、整機(jī)仿真模型
一般而言，在有限元模態(tài)分析中，系統(tǒng)的固有頻率會(huì)隨著網(wǎng)格密度的增加而降低至一個(gè)穩(wěn)定的收斂值，為了找到合適的網(wǎng)格劃分密度，需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格收斂性檢查。振動(dòng)試驗(yàn)載荷一般有正弦、窄帶隨機(jī)和寬帶隨機(jī)三種，PCB邊界條件有四角四點(diǎn)固支，端部四點(diǎn)固支，六點(diǎn)固支，中間四點(diǎn)固支以及中間兩點(diǎn)固支。
3.1 有限元模型建模
△圖5：焊點(diǎn)有限元建模
3.2 組件中各層材料參數(shù)設(shè)置
考慮到振動(dòng)過程中焊點(diǎn)發(fā)生的一般是彈性形變，無(wú)需考慮材料的蠕變參數(shù)，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。
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?【2024年一等獎(jiǎng)】王甜 | 中興通訊股份有限公司，基于PoF的可靠性壽命仿真技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐：使用Ansys 失效物理分析軟件Sherlock分析ZTE基站產(chǎn)品焊點(diǎn)溫循，很好地指導(dǎo)了電子元器件焊點(diǎn)壽命分析，并能在開發(fā)早期識(shí)別PCB設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，代替實(shí)物試驗(yàn)降本提效，填補(bǔ)行業(yè)技術(shù)空白。
本次研討會(huì)介紹如何通過Ansys Mechanical來(lái)評(píng)估電子產(chǎn)品界面分層的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，主要涵蓋以下要點(diǎn)：Ansys 界面分層失效分析方法；CZM模型分析及其在電子封裝界面分析的應(yīng)用；CZM測(cè)試方法和參數(shù)獲取介紹。
求解精度與效率雙優(yōu)
· 相比傳統(tǒng)有限元（FEA），Adams 以多體動(dòng)力學(xué)專用求解器實(shí)現(xiàn)非線性動(dòng)力學(xué)快速計(jì)算，耗時(shí)僅為 FEA 的 1/5-1/10，同時(shí)精準(zhǔn)輸出全運(yùn)動(dòng)周期的載荷、加速度、應(yīng)力數(shù)據(jù)，為 FEA 提供精準(zhǔn)邊界條件，提升結(jié)構(gòu)分析精度dr.adams.com。
流體力學(xué)仿真（CFD）僅能計(jì)算風(fēng)力載荷，但要評(píng)估結(jié)構(gòu)在這些時(shí)變載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性、振動(dòng)頻率），則需要在CFD基礎(chǔ)上耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊（如FEA有限元分析），這種多物理場(chǎng)仿真技術(shù)稱之為流-固耦合仿真（FSI）。
流-固耦合仿真（FSI）：計(jì)算流體域的流場(chǎng)壓力實(shí)時(shí)作用于固體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，結(jié)構(gòu)的變形或振動(dòng)也反過來(lái)影響流體邊界的形狀及流動(dòng)狀況。
顆粒的粒徑與密度直接影響流體內(nèi)部的布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。
然而，隨著下游包裝行業(yè)對(duì)"薄膜減薄"的要求日益苛刻，材料面臨的機(jī)械應(yīng)力急劇增加。在實(shí)際服役或加工成型過程中，部分材料會(huì)偶發(fā)非預(yù)期的物理失效或加工不穩(wěn)定現(xiàn)象。
在產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制及失效分析環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的宏觀物性測(cè)試面臨著嚴(yán)重的維度局限：凝膠滲透色譜（GPC）僅提供分子量及分布，差示掃描量熱法（DSC）僅反映整體熱行為，而最常用的熔體流動(dòng)速率（MFR）和密度測(cè)試則是宏觀統(tǒng)計(jì)的均值。
基于UMAT的蠕變變形仿真16天前
而蠕變一般是結(jié)構(gòu)正常服役工況，應(yīng)力水平不高，且要有較長(zhǎng)時(shí)間周期，比如地基的沉降現(xiàn)象。
仿真方法
目前對(duì)于金屬的力學(xué)行為研究，越來(lái)越多的學(xué)者從微觀尺度入手，像晶體塑性力學(xué)等就是典型代表，滑移、位錯(cuò)等理論也成為研究材料失效或者性能下降的重要工具。
相比于宏觀唯象模型，這類微觀模型當(dāng)然更具有物理意義，也更先進(jìn)，能解釋很多現(xiàn)象。
一、跌落測(cè)試：模擬真實(shí)墜落場(chǎng)景，守護(hù)結(jié)構(gòu)與功能完整性
智能眼鏡日常使用中，口袋滑落、手持掉落、運(yùn)動(dòng)磕碰等意外跌落概率極高。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，中低價(jià)位智能眼鏡 1.2 米跌落時(shí)鏡片開裂率大 31%，鍍膜劃傷失效率高達(dá) 44%，鉸鏈與鼻托更是斷裂故障的高發(fā)區(qū)（占比 72%）。
閥桿與填料：采用17-4PH沉淀硬化不銹鋼或XM-19合金，并配以高溫石墨填料，有效防止熱膨脹導(dǎo)致的卡滯與泄漏。
三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力與動(dòng)態(tài)難題
高溫不僅影響材料性能，還會(huì)引發(fā)熱膨脹、熱循環(huán)疲勞等問題，諾冠在高溫提升閥設(shè)計(jì)中融入多項(xiàng)創(chuàng)新：
熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)：采用延長(zhǎng)閥蓋、彈性加載閥座等設(shè)計(jì)，吸收熱變形，避免密封面脫開。
優(yōu)化流道：減少湍流與局部過熱，提升響應(yīng)速度與使用壽命。
/熱：ANSYS Fluent、CFX、Star-CCM+
多物理場(chǎng)：COMSOL Multiphysics
顯式動(dòng)力學(xué)：LS-DYNA、Radioss、Abaqus/Explicit
② V&V 專用工具層
NESSUS：NASA 開發(fā)的不確定性量化與可靠性分析軟件
DAKOTA：Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)化與 UQ 工具包，支持 MC、LHS、PCE、Sobol 分析
