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[美国机械工程师学会（ASME）2018年电子与光子微系统封装与集成国际技术会议暨展览 - 美国加利福尼亚州旧金山（2018年8月27日星期一）] ASME 2018年电子与光子微系统封装与集成国际技术会议暨展览 - 针对热循环条件下PBGA封装的有限元分析改进方法

DOI：10.1115/IPACK2018-8398 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:21:21
摘要： 焊点可靠性研究是电子封装领域的重点课题之一。焊料合金在热循环作用下会呈现高度非线性的材料特性。采用实验方法研究焊点行为既耗时又困难。当具备精确的材料模型时，有限元分析能更高效地解析焊点行为。随着有限元算法和计算机技术的发展，电子封装组件的分析方法已从二维分析演进至三维分析，完全三维分析所需的假设条件大幅减少。本文通过比较不同有限元分析方法（涵盖多种二维与三维建模技术），重点分析其在仿真精度与效率方面的优缺点。我们建立了典型BGA封装的多个模型进行研究，包括传统网格连续模型（二维切片模型、三维切片模型及三维四分之一模型），以及采用多点约束(MPC)和子模型法(全局/局部模型)的先进模型。所有有限元分析均采用Anand粘塑性模型描述焊点材料行为。针对三维网格连续模型，提出了兼顾仿真精度与计算效率的最优分析方案：通过网格过渡技术保持不同密度区域的网格连续性，并优化载荷步长以缩短总仿真时间。对于采用MPC连接异质网格的分析，提出了两种改进策略——建议接触单元配比与多MPC接触对应用以降低整体网格密度。同时开发了基于子模型的改进仿真策略，在全局与局部模型间实现网格质量与载荷步长的最佳平衡。此外，还改进了适用于能量疲劳准则的焊点几何简化方法。最后，针对PBGA封装中焊点行为的有限元预测，给出了最优分析方法的比较建议。
作者： Chienchih Chen，Jeffrey C. Suhling，Pradeep Lall
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

比较不同有限元分析（FEA）方法对典型球栅阵列（BGA）封装进行热循环建模的效果，理解其优缺点，尤其是与模拟精度和效率相关的方面。

研究成果

研究表明，基于三维的方法能准确捕捉三维空间中的响应，但会消耗更多计算机资源。子模型法在常见PBGA封装配置中实现了精度与效率的最佳平衡。多点约束技术虽提供灵活的网格划分方式，但若设置不当可能损失精度。研究提出了改进的建模策略以提升仿真精度和效率。

研究不足

该研究承认，二维模型无法描述几何形状和材料特性的面外变化，而三维模型需要大量的计算机资源和模拟时间。若未进行适当处理，基于MPC的模型的准确性可能不足。

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