从 BGA 封装中互连的随机振动响应表征焊料
球栅阵列封装广泛用于电子模块，它们比其他电子封装具有许多优点。它们提高了可返工性并支持组件小型化制造趋势。表现出更高水平的可焊性，能够有效使用印刷电路板。
BGA支持表面贴装技术，提高了热性能和电气性能并降低了电感。它们的结构支持增强的连接性。具有众多优势，该封装在承受振动载荷时，尤其是在升高的环境和恶劣环境中，仍面临着重大的可靠性挑战。
由于在关键任务系统中运行的设备对高可靠性的要求，对BGA封装中由振动引起的焊点疲劳失效的批判性理解至关重要。在汽车、军用和航天飞行器中运行的电子设备会承受严苛的机械和热负载。
一个汽车发动机运转和汽车在道路上的运转会引起汽车电子元件的随机振动。制造过程、程序、运输和其他使用寿命条件使电子元件暴露在随机振动中。
空军数据显示，超过20%的电子产品在振动和冲击环境中运行时会过早发生故障，其中75%的故障是由温度和振动负载引起的。电气和电子设备的有害物质限制指令合规性加剧了这一挑战。
电子系统的小型化以及在恶劣条件下的部署增加了系统的可靠性挑战。热机械和振动载荷会在焊点中产生裂纹。损坏机制包括重复的弹性变形，导致许多负载循环，从而引发高周疲劳。
要在BGA封装中实现可接受的机械可靠性水平，需要完全限定机械和热负载的影响参考。
关键方法实施是一种用于结构系统在频域中的动态特性的现代方法。模态是机械结构固有的振动特性。每种模式都有特定的固有频率、阻尼比和模态形状。
振型是弹性系统固有的整体特征。采用该方法研究BGA中焊点在特定频率下的结构模态属性，以预测其对内部和外部干扰的振动响应。
FEA模型是使用SolidWorks创建的。将模型导入到ANSYS机械包软件环境中进行设置。涉及为材料分配属性、定义网格和应用边界条件。
实施计算出的PSD位移，需要前六个固有频率。位移测量BGA球振动峰值之间的振幅。输出被输入到随机振动分析中，其中变形、弹性应变和等效应力被设置为输出。
变形量化了BGA焊点形状的变化。弹性应变用于BGA封装中焊点的疲劳寿命。所有输出都分析了随机振动对焊点可靠性的影响。
采用适当且优质的网格来确定仿真精度。网格大小调整后，在建模中生成并使用了67,123个节点和19,626个元素。该网格包含一个六面体，该六面体由多个四面体元素组成。
电子设备振动已采用完整FEA模型的子模型来优化计算时间。3-D子模型在Ansys环境中的模态分析中实施，以表征结构的动态响应。
计算了自然频率和振型参数，将其与同行评审出版物中的实验模态分析相关联。包括实施轻阻尼并且没有随时间变化的力、位移、压力、刚度、阻尼或质量。
焊点的疲劳寿命是使用Coffin-Manson经验法估算的，方法是用于预测焊点疲劳寿命的最有效和最高效的技术之一。
频率的产生很重要，高阶频率不会导致焊点共振或显著影响其性能。第一种振动模式显示模型沿y轴变形，第二种显示沿x轴振动，第三种显示沿x中焊点边缘的四种临界振动和z轴方向。
第四种振动模式显示了沿z轴和x轴的两种振动。第五振动模式显示了在x轴和z轴方向上围绕y轴的两次振动，第六振动模式显示了在x轴方向上的振动。随着频率的增加，振动模式变得复杂。
随机振动会导致焊点变形，从连接到PCB的底部到连接到电子芯片的顶部。最外层阵列的焊点变形最大，这在焊料/PCB界面处至关重要，在许多电子封装中，有几种焊料合金在焊料/PCB界面处失效。
最外角的焊点累积了最大应力，表明焊料和PCB元件之间的界面。将BGA结构拐角处的焊点确定为最容易发生过早失效的焊点。
疲劳裂纹的位置出现在BGA焊点的顶部、底部或两侧。由于焊料基体中的应力状态系数和感应力矩引起的扭矩降低，降低支架高度会增加BGA接头在剪切载荷下的刚度。
降低间距高度会降低BGA组件中焊料和焊盘界面上的应力和塑性应变能的集中，观察到断裂位置从焊料矩阵的中间到靠近SAC305/IMC界面的变化。凸块高度对塑料应变范围的影响，将其与电子产品中无铅焊点的疲劳寿命和可靠性相关联。
已经发现随机振动对BGA焊点机械可靠性的影响是显着的。振动响应幅度与焊料成分一致。机械振动的实施，用作电子模块和系统互连的各种焊料的变形、应力、应变和疲劳寿命响应。
SAC405焊料对损坏参数的响应幅度，SAC405焊料是随机振动下最可靠的焊接互连材料。它展示了疲劳寿命和变形的最高幅度，弹性应变的最低幅度，以及应力幅度的最低但只有一个。 SAC405被提议作为共晶铅基焊料的合适替代品，用于在运行中受到随机振动的应用。
