從 BGA 封裝中互連的随機振動響應表征焊料
球栅陣列封裝廣泛用于電子子產品，它們比其他電子封裝具有許多優點。它們提高了可返工性并支援元件小型化制造趨勢。表現出更高水準的可焊性，能夠有效使用印刷電路闆。
BGA支援表面貼裝技術，提高了熱性能和電氣性能并降低了電感。它們的結構支援增強的連接配接性。具有衆多優勢，該封裝在承受振動載荷時，尤其是在升高的環境和惡劣環境中，仍面臨着重大的可靠性挑戰。
由于在關鍵任務系統中運作的裝置對高可靠性的要求，對BGA封裝中由振動引起的焊點疲勞失效的批判性了解至關重要。在汽車、軍用和航天飛行器中運作的電子裝置會承受嚴苛的機械和熱負載。
一個汽車發動機運轉和汽車在道路上的運轉會引起汽車電子元件的随機振動。制造過程、程式、運輸和其他使用壽命條件使電子元件暴露在随機振動中。
空軍資料顯示，超過20%的電子産品在振動和沖擊環境中運作時會過早發生故障，其中75%的故障是由溫度和振動負載引起的。電氣和電子裝置的有害物質限制指令合規性加劇了這一挑戰。
電子系統的小型化以及在惡劣條件下的部署增加了系統的可靠性挑戰。熱機械和振動載荷會在焊點中産生裂紋。損壞機制包括重複的彈性變形，導緻許多負載循環，進而引發高周疲勞。
要在BGA封裝中實作可接受的機械可靠性水準，需要完全限定機械和熱負載的影響參考。
關鍵方法實施是一種用于結構系統在頻域中的動态特性的現代方法。模态是機械結構固有的振動特性。每種模式都有特定的固有頻率、阻尼比和模态形狀。
振型是彈性系統固有的整體特征。采用該方法研究BGA中焊點在特定頻率下的結構模态屬性，以預測其對内部和外部幹擾的振動響應。
FEA模型是使用SolidWorks建立的。将模型導入到ANSYS機械包軟體環境中進行設定。涉及為材料配置設定屬性、定義網格和應用邊界條件。
實施計算出的PSD位移，需要前六個固有頻率。位移測量BGA球振動峰值之間的振幅。輸出被輸入到随機振動分析中，其中變形、彈性應變和等效應力被設定為輸出。
變形量化了BGA焊點形狀的變化。彈性應變用于BGA封裝中焊點的疲勞壽命。所有輸出都分析了随機振動對焊點可靠性的影響。
采用适當且優質的網格來确定仿真精度。網格大小調整後，在模組化中生成并使用了67,123個節點和19,626個元素。該網格包含一個六面體，該六面體由多個四面體元素組成。
電子裝置振動已采用完整FEA模型的子模型來優化計算時間。3-D子模型在Ansys環境中的模态分析中實施，以表征結構的動态響應。
計算了自然頻率和振型參數，将其與同行評審出版物中的實驗模态分析相關聯。包括實施輕阻尼并且沒有随時間變化的力、位移、壓力、剛度、阻尼或品質。
焊點的疲勞壽命是使用Coffin-Manson經驗法估算的，方法是用于預測焊點疲勞壽命的最有效和最高效的技術之一。
頻率的産生很重要，高階頻率不會導緻焊點共振或顯著影響其性能。第一種振動模式顯示模型沿y軸變形，第二種顯示沿x軸振動，第三種顯示沿x中焊點邊緣的四種臨界振動和z軸方向。
第四種振動模式顯示了沿z軸和x軸的兩種振動。第五振動模式顯示了在x軸和z軸方向上圍繞y軸的兩次振動，第六振動模式顯示了在x軸方向上的振動。随着頻率的增加，振動模式變得複雜。
随機振動會導緻焊點變形，從連接配接到PCB的底部到連接配接到電子晶片的頂部。最外層陣列的焊點變形最大，這在焊料/PCB界面處至關重要，在許多電子封裝中，有幾種焊料合金在焊料/PCB界面處失效。
最外角的焊點累積了最大應力，表明焊料和PCB元件之間的界面。将BGA結構拐角處的焊點确定為最容易發生過早失效的焊點。
疲勞裂紋的位置出現在BGA焊點的頂部、底部或兩側。由于焊料基體中的應力狀态系數和感應力矩引起的扭矩降低，降低支架高度會增加BGA接頭在剪切載荷下的剛度。
降低間距高度會降低BGA元件中焊料和焊盤界面上的應力和塑性應變能的集中，觀察到斷裂位置從焊料矩陣的中間到靠近SAC305/IMC界面的變化。凸塊高度對塑膠應變範圍的影響，将其與電子産品中無鉛焊點的疲勞壽命和可靠性相關聯。
已經發現随機振動對BGA焊點機械可靠性的影響是顯着的。振動響應幅度與焊料成分一緻。機械振動的實施，用作電子子產品和系統互連的各種焊料的變形、應力、應變和疲勞壽命響應。
SAC405焊料對損壞參數的響應幅度，SAC405焊料是随機振動下最可靠的焊接互連材料。它展示了疲勞壽命和變形的最高幅度，彈性應變的最低幅度，以及應力幅度的最低但隻有一個。 SAC405被提議作為共晶鉛基焊料的合适替代品，用于在運作中受到随機振動的應用。
