焊点可靠性是采用表面组装技术形成的电子产品的生命,对于航空和军用smt产品,其重要程度尤为突出。焊点形态理论及其CAD技术是研究smt焊点成形后的外观几何形态与焊点可靠性之间关系的新理论、新方法,近年来国内外在该方面的研究相当活跃。
SMT焊点因型众多且其形态大多为复杂的三维形态,研究难度较大。为此目前许多smt贴片打样企业在焊点形态理论研究方面尚存在许多不完善之处。例如,至今尚无将焊点形态成形CAD和焊点热疲劳寿命可靠性CAD结合一体的smt焊点形态CAD研究成果。
本文中众焱电子小编将以塑料球珊阵列器件焊点形态研究为例,通过形态建模和成形预测、模型转换,热应力应变和疲劳寿命可靠性预测CAD有机地结合为一体,形成SMT焊点形态CAD实用软件,较好地解决了smt焊点优化CAD问题,进一步完善了smt焊点形态理论和方法。
一、PBGA焊点形态成形CAD
1、PBGA三维焊点形态建模
PBGA元器件单个焊点形态的模型可表示成rl、r2分别为PCB和芯片基板焊盘半径,同时也是焊点形态上下两圆半径。h为焊点高度,θ1、θ2为接触角,w为焊点最大径向尺寸。
由于Surface Evolver软件应用于smt焊点形态成形预测具有良好的效果,本文用其对PBGA焊点形态进行预测。PBGA焊点液态钎料以及与其接触的固相、气相所组成的三相系统能量以泛函形式可描述为:
1=ƒƒAγdA+ƒƒƒνρgz+λ[ƒƒƒvldv-V0](1)
式中:γ为表面张力;A为焊点自由表面面积;p、g、v为钎料的密度、重力加速度和体积;h、z为焊点高度和高度坐标;F为焊点所承受力;λ为拉格朗日乘子。式(1)的被积函数满足欧拉一拉格朗日方程时,可得泛函极值,Surfacd Evolver基于最小能量原理,利用变分问题的数值解法求解钎料的平衡形态,即焊点形态。
2、PBGA三维焊点形态成形预测
一组利用Surface Evolver软件预测的不同钎料体积情况下的PBGA焊点形态样例,形态主要参数有钎料体积V、焊点高度h、焊点最大径向尺寸W。将该预测结果经数据处理后可形成钎料体积与其它形态参数之间的关系图表。与此类似,通过各种不同形态参数情况下PBGA焊点形态的预测和数据处理,可得到一系列焊点形态主要参数之间的相互关系结论,这些结论可应用于指导PBGA器件结构设计和组装工艺设计。
二、PBGA焊点形态与热可靠性CAD
PBGA焊点热应力应变有限元分析模型:
PBGA焊点热应力应变解析一般先利用数学简化方法确定元器件中受应力应变最大处的关键焊点和相应的热变形位移量,然后再以有限元方法对关键焊点进行细化分析。
当对上述已预测的焊点形态进行细化分析时,其难题之一是要将已形成的焊点形态表面模型转化为热应力应变有限元分析所需的实际模型。本文提出并应用了将焊点形态成形预测结果一三维形态表面模型转化为三维实体模型的方法来建立热应力应变有限元分析模型。
该方法利用焊点预测形态的表面节点坐标及其分布规律,通过按ADINA-IN的输入数据格式要求编制的转换程序进行转换,进插入三维体体内节点,最后形成具有形式的、由6节点棱柱体三维固体单元构成的PBGA焊点有限元分析模型。为简化转换过程,从预测形态模型中提取的表面节点个数可适度选取,若应力分析时需提高精度,可利用ADINA-IN自动细分功能对三维实体模型作进一步细分。
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