技术领域
[0001] 本
发明涉及微
电子封装可靠性技术领域，具体是一种基于
正交试验设计的减小扭转
应力的微尺度BGA焊点结构参数优化方法。
背景技术
[0002] 随着电子产品的高度集成，超薄性能的提升，电子产品的设计制造也将伴随着诸多重要指标的限制，其中抗弯扭就是其中的一个重要的性能标准，针
对焊点在扭转加载条件下的研究也有了一定的成果。JohnH.Lau研究了当PCB
基板受到扭转
载荷后焊点的可靠性影响；SeungWookYoon运用四点扭曲试验对CSP的封装器件进行了相关的扭曲试验，研究器件上的焊点在扭曲载荷作用下的应力应变大小；Quayle Chen等人利用数值模拟的方法研究FPC电子产品弯扭性能，最终得出了影响其可靠性主要因素。除此之外，还有很多研究者利用ANSYS等仿真
软件，研究了PCB
电路板等电子产品在扭转加载下的可靠性。微尺度BGA焊点容易发生失效的部位在于焊点阵列的最
外圈处，且焊点与PCB
接触的一侧最容易产生失效现象，通过对影响电子产品板级组件在扭转加载下
应力分布的各种因素进行分析，对其结果进行优化，能够大幅度的提高电子产品板级组件在后续使用中的
稳定性和可靠性。
[0003] 为了实现板级组件结构性能最优，可以通过优化BGA焊点结构，从而使得电子元器件的性能能够优化，不至于因为器件工作状态的时候，由于焊点
扭转应力过大而失效。而对结构的优化过程往往是先提出想法，然后在此
基础上做出相应的结构，成品做出之后还需要做对应的元器件进行试验，考察在该结构形状尺寸且电子元器件正常工作的情况下检测所受的最大扭转应力是多少，而这样的一个试验过程是需要花费很大的时间和精力的。提出结构尺寸数据，然后就是需要做出大量的试验数据。正交试验设计(Orthogonal Design)是于二十世纪50年代初期，由日本
质量管理专家田口玄一(Tachugi)博士提出的在多因素试验设计方法的基础上，进一步研究开发出来的一种试验设计技术。正交试验设计方法使用一种规范化的表格(正交表)进行试验设计，可以用较少的试验次数，取得较为准确、可靠的优选结论。因此，在对BGA焊点结构做优化时候，可以利用正交试验设计方法，从而减少试验次数，更容易实现优化结果。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，而提供一种减小扭转应力的微尺度BGA焊点结构参数优化方法，该方法通过制定相应
水平因素的正交表进行试验设计，简化了试验次数，得到最优组合模型，提高了优化效率。
[0005] 实现本发明目的的技术方案是：
[0006] 一种减小扭转应力的微尺度BGA焊点结构参数优化方法，包括如下步骤：
[0007] 1)建立微尺度BGA焊点
有限元分析三维模型，所述模型为
自下而上顺序叠置的PCB板、微尺度BGA焊点和芯片；
[0008] 2)将步骤1)建立的三维模型进行网格划分，并在扭转加载条件下进行扭转应力仿真分析；
[0009] 3)通过仿真分析确定影响微尺度BGA焊点扭转应力的影响因素；
[0010] 4)确立影响微尺度BGA焊点扭转应力的影响因素的参数水平值，并创建正交实验中使用的正交水平因素表；
[0011] 5)根据设计的正交水平因素表设计出16组具有代表性的试验组合；
[0012] 6)建立16组相应结构组合和微尺度BGA有限元分析三维模型；
[0013] 7)对步骤6)建立的有限元分析三维模型，分别仿真计算出结果，得出所有模型中的最大扭转应力；
[0014] 8)
整理数据结果，对数据进行极差分析，得出扭转加载条件下各因素对微尺度BGA焊点应力影响大小排序以及最优参数水平组合；
[0015] 9)对实验结果数据做方差分析，获得各因素对微尺度焊点在扭转条件下影响是否显著的结果。
[0016] 步骤1)中，所述的BGA焊点，是通过采用基于最小
能量原理的Surface Evolver软件对焊点形态进行预测之后，得到焊点直径、焊点高度等几何形态参数，将得到的形态参数在有限元分析软件ANSYS中建模所得；所述模型尺寸为：模型中PCB板尺寸为132mm×77mm×1mm，9
块芯片尺寸为1.63mm×1.63mm×0.4mm，其中单个微尺度BGA焊点阵列为4×4全阵列焊点，焊点数为16个，焊点高度0.20mm，焊点直径0.25mm，焊盘直径0.20mm，焊点材料为SAC305。
[0017] 步骤2)中，所述的扭转加载，是在PCB基板的四个
角点上施加方向不同、大小相等的位移载荷，使PCB板发生扭转。
[0018] 步骤3)中，所述的影响因素，包括焊点直径L、焊点高度H、焊盘直径D和焊点材料属性S。
[0019] 步骤4)中，所述的影响因素的参数水平值，具体包括焊点直径L、焊盘直径D、焊点高度H和焊点材料属性S的4组水平值。
[0020] 步骤6)中，所述的有限元分析三维模型，是根据16组不同微尺度BGA焊点结构参数组合，创建相对应的有限元仿真分析模型，模型除去微尺度BGA焊点结构参数不同外，其余边界条件和加载条件均相同，所述边界条件是空气自然
对流情况下取周围
温度为25℃。
[0021] 本发明的有益效果：本发明提供的一种减小扭转应力的微尺度BGA焊点结构参数优化方法，该方法通过较少的试验次数，能够精确地考察出在扭转条件下影响微尺度BGA焊点应力的因素，而且通过数据结果的分析，可知影响因素的影响主次关系以及对微尺度BGA焊点在扭转条件下影响是否显著的结果，计算较为简便，为后期参数优化设计带来极大的方便。
附图说明
[0022] 图1为本发明中的芯片模型图；
[0023] 图2为本发明中的PCB板扭转示意图；
[0024] 图3为本发明
实施例中的微尺度BGA焊点有限元分析模型图
[0025] 图4为本发明实施例中的微尺度BGA焊点划分网格后有限元模型图；
[0026] 图5为本发明实施例中的PCB板扭转前模型图；
[0027] 图6为本发明实施例中的PCB板扭转后
变形图；
[0028] 图7为本发明实施例中的PCB板扭转位移变形图；
[0029] 图8为本发明实施例中的微尺度BGA焊点扭转应力分布
云图；
[0030] 图9为本发明实施例中最优组合微尺度BGA焊点内最大应力图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
[0032] 实施例：
[0033] 一种减小扭转应力的微尺度BGA焊点结构参数优化方法，首先对板级组件中的微尺度BGA焊点结构提出在扭转条件下影响其扭转应力的因素，也就是正交试验设计中的因素选择，然后对结构因素设计相应的水平变量。在本次案例中，先利用正交设计方法设计出正交表进行试验设计，本次设计了16组试验组合，根据这16组试验参数，建立相应的16组仿真模型，对着16组组合进行仿真计算后得出相应的微尺度BGA焊点扭转应力结果，在对所获得的数据，进行极差分析得出扭转条件下各因素对微尺度BGA焊点扭转应力影响大小排序以及最优参数水平组合，也可以通过方差分析获得各因素对微尺度BGA焊点在扭转条件下影响是否显著的结果，具体包括如下步骤：
[0034] 1)图1为芯片模型图，图2为PCB板扭转示意图，利用ANSYS三维绘制软件，建立微尺度BGA焊点有限元分析模型，整
体模型的示意图如图3所示，基本尺寸为：PCB基板尺寸为132mm×77mm×1mm，9个芯片，芯片尺寸为1.63mm×1.63mm×0.4mm，其中单个微尺度BGA焊点阵列为4×4全阵列焊点，焊点数为16个，焊点高度0.20mm，焊点直径0.25mm，焊盘直径
0.20mm，焊点材料为SAC305。模型中各部分的材料参数如表1所示；
[0035] 2)将步骤1)建立的三维模型进行网格划分，如图4所示，并在扭转加载条件下进行扭转应力仿真分析；
[0036] 3)图5为PCB板发生扭转前的模型图，在模型的PCB板上的四个角点上施加大小相等、方向不同的1.5mm位移载荷，经过有限元的仿真分析，由图5和图6对比可知PCB板发生了扭转变形，PCB基板在Z方向上的位移变形图如图7所示；
[0037] 4)经过有限元仿真分析，微尺度焊点也发生了扭转变形，微尺度BGA焊点内的应力如图8所示，在扭转条件下，微尺度BGA焊点的最大扭转应力为29.4MPa。由图8可知，在扭转载荷的作用下，微尺度BGA焊点的最大应力出现在焊点阵列的最外圈的角点上，同时是位于焊点与PCB相接触的一侧，微尺度焊点内的应力分布不是均匀分布，是由焊点中间向PCB和芯片两侧逐渐增大的趋势，而且焊点位于与PCB接触一侧的扭转应力大于位于与芯片接触一侧的扭转应力。在微尺度焊点的阵列中，位于芯片中间的两排的微尺度焊点的扭转应力最小；
[0038] 5)获取影响微尺度BGA焊点在扭转条件下应力的影响因素为：焊点材料属性、焊点直径、焊盘直径、焊点高度；分别对各个因素选取4个水平值，其因素水平表如表2所示；
[0039] 6)采用正交设计试验方法，根据制定的因素水平表设计出具有代表性的16组仿真模型水平组合，如表3所示；
[0040] 7)建立上表3的16组有限元模型，分别求出这16组模型在扭转加载条件下的微尺度BGA焊点的最大扭转应力，结果如表4所示。根据16组实验中焊点的最大应力分布情况，可知在扭转加载条件下，微尺度焊点的最大扭转应力都是出现在焊点与PCB接触的一侧，而且焊点与PCB接触一侧的应力大于焊点与芯片接触一侧的应力。在微尺度BGA焊点的阵列当中，位于芯片中间的焊点的最大扭转应力都比较小，焊点阵列的最外圈上出现焊点的最大扭转应力；
[0041] 8)根据上述表4微尺度焊点正交设计试验的数据，可以对微尺度焊点在扭转条件下的应力作极差分析，所得结果如表5所示，四个因素中的极差的大小排序为：焊点直径、焊盘直径、材料属性、焊点高度，由此可知在扭转条件下，这四个因素对微尺度焊点应力的影响从大到小排列顺序为焊点直径、焊盘直径、材料属性、焊点高度。进而得出扭转加载条件下微尺度BGA焊点应力最优参数水平组合为A1B4C2D4，应力仿真如图9所示，最大扭转应力为11.9MPa，根据表3，在上述的16组正交设计实验中，与最优组合最接近的是实验4，而实验4中的最大扭转应力值为17.1MPa，实验4的最大应力是所有实验中的最小扭转应力。最优参数水平组合的最大扭转应力小于实验4中的最大扭转应力，由此可知最优组合的选择是合理的；
[0042] 9)同样对微尺度BGA焊点在扭转加载条件下的应力作方差分析，根据表4微尺度焊点在扭转下的16组应力实验数据，进行方差数据分析，其结果如表6所示。四个因素中的方差比的大小排序为：焊点直径、焊盘直径、材料属性、焊点高度，根据因素的方差比越大，则该因素对微尺度焊点应力的影响就越大的原理，在扭转条件下这四个因素对微尺度焊点应力的影响从大到小排列顺序为焊点直径、焊盘直径、材料属性、焊点高度。这一结果与极差分析中，各个因素对微尺度焊点应力影响的排序是一样的，而在显著性的水平
置信度为90％(a＝0.10)下,将F比和F临界值的大小相比较，如果某一因素对应的方差比大于临界值，那么该因素对微尺度焊点的应力影响就越显著，所以在扭转条件下，焊点直径和焊盘直径和材料属性对微尺度BGA焊点的应力影响显著，而焊点高度不显著。
[0043] 因此，在实际环境中，为了能够提高微尺度BGA焊点的可靠性，需要将焊点直径、焊盘直径、材料属性考虑作为关键的工艺参数，并进行严格的调控，以提高微尺度焊点在扭转条件下的可靠性。
[0045]
[0046] 表2扭转加载微尺度BGA焊点形态结构参数影响因素水平数据表
[0047]
[0048] 表3扭转加载微尺度BGA焊点正交试验表
[0049]
[0050]
[0051] 表4微尺度BGA焊点扭转条件下正交设计试验结果
[0052]
[0053] 表5扭转加载下微尺度BGA焊点应力极差分析数据表
[0054]
[0055]
[0056] 表6扭转加载下微尺度BGA焊点应力方差分析数据表
[0057]
