基于Patran及频域分析的叠层焊点随机振动可靠性分析
发布时间：2019-09-29 12:32
【摘要】：基于Patran软件建立了叠层焊点三维有限元分析模型,分析了随机振动条件下叠层焊点的固有频率、振型和频率响应规律,获得了叠层焊点应力应变分布和应变功率谱密度响应曲线,并基于功率谱和雨流计数法计算出了叠层焊点振动疲劳寿命;分析了焊盘直径和焊点最大径向直径对叠层焊点随机振动寿命影响。仿真结果表明:在叠层焊点高0.5 mm、焊盘直径0.3 mm和焊点径向最大直径0.4 mm时其随机振动疲劳寿命为3 132 h;当焊盘直径从0.2 mm增加到0.35 mm时,叠层焊点振动疲劳寿命随焊盘直径增大而增大;当焊点最大径向直径从0.4 mm增加到0.55 mm时,叠层焊点振动疲劳寿命随焊点最大径向直径增大而减少。
【图文】：
热疲劳寿命，文中以叠层焊点为研究对象，对其随机振动疲劳寿命进行分析，考察叠层焊点几何结构参数对其随机振动寿命的影响，以达到进一步提高叠层焊点振动可靠性的目的。1叠层焊点随机振动有限元分析1．1叠层焊点三维有限元模型文中研究对象为带有叠层焊点的倒装芯片，将其组装于印制电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)上，，模型实体来源于TopLine公司生产的8×8全阵列产品，共64个叠层焊点，焊点间距为0．8mm。所选取的叠层焊点材料为有铅焊料Sn63Pb37。采用软件Patran建立的叠层焊点随机振动三维有限元分析模型如图1所示。模型中PCB尺寸为70mm×70mm×1mm，芯片尺寸为8mm×8mm×0．2mm，叠层焊点高为0．5mm，焊盘直径为0．3mm，焊点径向最大直径为0．4mm。模型网格划分中单元是六面体单元Hex，使用的是映射网格生成器IsoMesh，整个模型共划分39264个单元，44232个节点。对模型施加的位移约束条件为:约束PCB底面四个角点的六个自由度。模型中各部分的材料参数如表1所示。图1叠层焊点有限元模型Fig．1FiniteelementmodelofBGApackagewithstackedsolderjoints表1材料参数Tab．1Materialparameters材料名称弹性模量E/GPa泊松比μ密度ρ/(Kg·m－3)芯片1300．282320PCB板18．20．251800焊点35．30．358420文中采用的随机激励的形式为加速度功率谱密度(PowerSpectralDensity，PSD)，来源于美国军用标准MIL-STDNAVMATP-9492。加速度功率谱曲线在随机振动频率在20～80Hz时曲线上升斜率为+3dB/oct，对应的加速度功率谱密度幅值范围为0．01～0．04g2/Hz，80Hz时为0．04g2/Hz;当随机振动频率在80～350Hz时，对应的加速度功率谱密度幅值为0．04g2/Hz，当随机振动频率在350～2000Hz时，曲线以－3dB/cot的斜?
350Hz时，对应的加速度功率谱密度幅值为0．04g2/Hz，当随机振动频率在350～2000Hz时，曲线以－3dB/cot的斜率下降，对应的加速度功率谱密度幅值范围为0．04～0．01g2/Hz。1．2模态分析为了解随机振动条件下弯曲变形所引起的焊点受力变形状态，要对叠层焊点有限元模型进行模态分析。通过模态分析可以得到模型的固有频率和振型，模态分析后得到的叠层焊点有限元模型的前3阶振型如图2所示，前8阶固有频率如表2所示。(a)第1阶模态及其叠层焊点形变(b)第2阶模态及其叠层焊点形变(c)第3阶模态及其叠层焊点形变图2叠层焊点有限元模型前3阶振型Fig．2VibrationmodeoffirstthreeorderswithinfiniteelementmodelofBGApackage表2前8阶固有频率Tab．2Naturalfrequencyoffirsteightorders阶次1234频率/Hz260．4534．5669．01298．1阶次5678频率/Hz1413．81554．02134．02475．7文中随机振动分析的频率范围是20～2000Hz，从表2可见，该模型的前6阶模态的固有频率均处于20～2000Hz这一频率范围，所以，在20～2000Hz频率范围的随机载荷下，该模型只发生前6阶模态振动弯曲变形(前3阶振型如图2(a)～图2(c)所示)。从图2可知，第1阶模态下，PCB板的中心有较大振幅，带动整个板向下凹或上凸，倒装芯片及叠层焊点完全处于模型弯曲变形较大的区域;第2阶和第3阶模态下，PCB板四周振幅较大，中心振幅较小，倒装芯片及第16期张龙等:基于Patran及频域分析的叠层焊点随机振动可靠性分析203
【作者单位】： 桂林电子科技大学机电工程学院;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51465012) 广西壮族自治区自然科学基金资助项目(2015GXNSFCA139006)
【分类号】：TN405
本文编号：2543936
【图文】：
热疲劳寿命，文中以叠层焊点为研究对象，对其随机振动疲劳寿命进行分析，考察叠层焊点几何结构参数对其随机振动寿命的影响，以达到进一步提高叠层焊点振动可靠性的目的。1叠层焊点随机振动有限元分析1．1叠层焊点三维有限元模型文中研究对象为带有叠层焊点的倒装芯片，将其组装于印制电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)上，，模型实体来源于TopLine公司生产的8×8全阵列产品，共64个叠层焊点，焊点间距为0．8mm。所选取的叠层焊点材料为有铅焊料Sn63Pb37。采用软件Patran建立的叠层焊点随机振动三维有限元分析模型如图1所示。模型中PCB尺寸为70mm×70mm×1mm，芯片尺寸为8mm×8mm×0．2mm，叠层焊点高为0．5mm，焊盘直径为0．3mm，焊点径向最大直径为0．4mm。模型网格划分中单元是六面体单元Hex，使用的是映射网格生成器IsoMesh，整个模型共划分39264个单元，44232个节点。对模型施加的位移约束条件为:约束PCB底面四个角点的六个自由度。模型中各部分的材料参数如表1所示。图1叠层焊点有限元模型Fig．1FiniteelementmodelofBGApackagewithstackedsolderjoints表1材料参数Tab．1Materialparameters材料名称弹性模量E/GPa泊松比μ密度ρ/(Kg·m－3)芯片1300．282320PCB板18．20．251800焊点35．30．358420文中采用的随机激励的形式为加速度功率谱密度(PowerSpectralDensity，PSD)，来源于美国军用标准MIL-STDNAVMATP-9492。加速度功率谱曲线在随机振动频率在20～80Hz时曲线上升斜率为+3dB/oct，对应的加速度功率谱密度幅值范围为0．01～0．04g2/Hz，80Hz时为0．04g2/Hz;当随机振动频率在80～350Hz时，对应的加速度功率谱密度幅值为0．04g2/Hz，当随机振动频率在350～2000Hz时，曲线以－3dB/cot的斜?
350Hz时，对应的加速度功率谱密度幅值为0．04g2/Hz，当随机振动频率在350～2000Hz时，曲线以－3dB/cot的斜率下降，对应的加速度功率谱密度幅值范围为0．04～0．01g2/Hz。1．2模态分析为了解随机振动条件下弯曲变形所引起的焊点受力变形状态，要对叠层焊点有限元模型进行模态分析。通过模态分析可以得到模型的固有频率和振型，模态分析后得到的叠层焊点有限元模型的前3阶振型如图2所示，前8阶固有频率如表2所示。(a)第1阶模态及其叠层焊点形变(b)第2阶模态及其叠层焊点形变(c)第3阶模态及其叠层焊点形变图2叠层焊点有限元模型前3阶振型Fig．2VibrationmodeoffirstthreeorderswithinfiniteelementmodelofBGApackage表2前8阶固有频率Tab．2Naturalfrequencyoffirsteightorders阶次1234频率/Hz260．4534．5669．01298．1阶次5678频率/Hz1413．81554．02134．02475．7文中随机振动分析的频率范围是20～2000Hz，从表2可见，该模型的前6阶模态的固有频率均处于20～2000Hz这一频率范围，所以，在20～2000Hz频率范围的随机载荷下，该模型只发生前6阶模态振动弯曲变形(前3阶振型如图2(a)～图2(c)所示)。从图2可知，第1阶模态下，PCB板的中心有较大振幅，带动整个板向下凹或上凸，倒装芯片及叠层焊点完全处于模型弯曲变形较大的区域;第2阶和第3阶模态下，PCB板四周振幅较大，中心振幅较小，倒装芯片及第16期张龙等:基于Patran及频域分析的叠层焊点随机振动可靠性分析203
【作者单位】： 桂林电子科技大学机电工程学院;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51465012) 广西壮族自治区自然科学基金资助项目(2015GXNSFCA139006)
【分类号】：TN405
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