无铅焊球在热载荷下的蠕变分析

    铅及其化合物已在电子行业中广泛使用了很多年。但是，减少有害材料使用迫使全球电子制造商考虑在未来产品中使用无铅材料。这种转变增加了对无铅焊料进行有限元评估的材料模型的需求。

    在过去的50年中，铅焊料（例如流行的锡铅品种）已在电子行业中使用多年。随后，人们对它们的长期可靠性有了充分的了解。然而，铅及其化合物具有剧毒，这些材料进入环境已成为非常重要的问题。考虑环境因素采用无铅材料的法成为电子行业正在努力的重要方向。这对于评估产品的性能和可靠性提出了新要求。

图1 BGA模型截面示意图

    电子元件在其工作寿命中会经历大量的热循环。各种材料的热膨胀行为之间的不匹配可能会导致严重的应力，该应力足够大时会引起塑性和蠕变。特别是，锡球在高于焊料熔点一半的温度下受到应力。在这样的温度下，焊料会发生蠕变。经过许多次热循环后，非弹性应变的积累可能会导致焊点失效。因此，循环热负荷下焊球的蠕变分析成为设计阶段的重要组成部分。

    图1显示了本计算中使用的BGA模型的一部分。三十六个焊球连接硅芯片和衬底，并在焊球周围的空间中使用填充材料。除基材外，所有组件均封装在模具中。不同材料具有不同的热膨胀系数，当模型受到热负荷时，会导致应力。为简单起见，假定整个模型都经过均匀的热循环。在更详细的分析中，可以从以前的传热分析中获得温度场，或者可以将整个模拟作为完全耦合的温度位移分析来进行。基板的底部是固定的，不施加其他力学载荷。

图2.加载最终时刻的等效蠕变应变

    在图2中，显示了焊球分析结束时（t = 9900 s）的等效蠕变应变（CEEQ）的分布。焊料的顶面与硅芯片接触；焊料与周围材料之间的热膨胀失配会在焊料的顶部和底部表面附近产生高蠕变应变。另外，阵列周边的焊料中的蠕变应变高于中心附近的蠕变应变。蠕变应变最高的焊料是四个角处的焊料，表明这些是器件的关键焊点。

图3. A点和B点的应力和应变历时曲线

    图3中显示了在位置A和B处的Mises应力和等效蠕变应变时间历程曲线（见图2）。请注意，这些结果是采用修改后的Anand蠕变模型获得的。通常，拐角焊料（位置A）中的Mises应力略高于器件中心附近的焊料中的Mises应力，尤其是在温度保持恒定在100°C的时间间隔内。角焊球中产生更大的蠕变应变，并且随着热循环次数的增加，蠕变应变的差异会稳定地增加。一旦在焊料每个周期的蠕变应变增量达到常数，就可以用疲劳定律（例如Coffin-Manson方程）来估算焊球的疲劳寿命。

    无铅材料在电子工业中应用的快速增长为模拟蠕变行为带来了新的挑战。ABAQUS / Standard的先进功能，包括新材料模型，广泛的非线性分析功能和热机械耦合，使其成为无铅时代电子行业的强大设计工具。

【1】论文来自SIMULIA论文集