（机械电子工程专业论文）csp组件的动态特性与振动可靠性研究.pdf

l、，；o jl1 j 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子 杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和 借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并 向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博 硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学 研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：并辞砍 伽l1 年多月牛e l 指导教师签名： 叫年 1 矿彳 i 6 只c 邙 分类号型逝 u d c 鱼2 1 密级公五 编号10 2 9 9 + s 0 8 0 3 0 3 3 硕士学位论文 c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 a n a l y s i s0 nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dv i b r a t i o nr e l i a b i l i t yo f c s pa s s e m b l y 申请学位级别亟学科( 专业)垫煎电王王猩 论文提交日期她4论文答辩日期2 q 里兰! 鱼 学位授予单位和日期江苎太堂2 q ! ! 生鱼旦! 墨旦 答辩委员会主席 评阅人 2 0 11 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 伴随着电子设备的发展，印刷电路板成为电子设备结构中不可缺少的一部分，而 p c b 板上的电子元器件则是电子设备的核心。电子设备在制造、运输及使用的过程中 难免受到机械振动和冲击的作用，因此对电子元器件机械可靠性的研究具有极其重大的 意义，且对目前最具应用前景的集成电路封装形式之一c s p 封装的机械可靠性研究变 得更为重要。 针对不同结构和材料参数的芯片集成模式，设计制作了一块c s p 电路板组件样品， 开展了动态特性、疲劳特性以及基本抗振特性的研究。主要研究工作如下： 利用模态分析方法研究了c s p 组件的动态特性。采用有限元分析软件a n s y s 中的 模态分析模块建立了该c s p 组件的有限元模型并进行了不同约束条件下的加载计算， 在建模过程中考虑到芯片焊点过多，对芯片进行了简化处理。通过与试验模态分析结果 相对比，得到了该组件的前五阶固有频率及相应频率下的模态振型等模态参数，同时验 证了所建立的有限元模型是准确的，可作为以后进行疲劳寿命估计和结构优化的基础。 结合试验测试和理论计算对该c s p 组件的振动疲劳特性进行了研究，在研究中通 过振动试验对c s p 组件进行了正弦激励和随机激励下的加载，建立了不同激励下各芯 片的疲劳载荷谱，并通过雨流计数法得到了在不同应力条件下的应变幅和平均值。基于 高周疲劳寿命公式，得到芯片不同应力条件下的疲劳寿命。建立并分析了不同封装方式、 焊点材料、芯片位置以及激励大小对疲劳寿命影响的s n 曲线。最后，基于三带技术 和疲劳损伤累积理论得到了一种芯片关键角端焊点振动疲劳寿命预测的分析方法。 针对该c s p 组件的抗振特性，通过试验对该组件进行了抗振特性测试，测试前设 计了封装芯片振动试验系统，讨论了传感器测试数据误差的处理方法；通过改变振动幅 值、振动频率和封装芯片的类型得到了芯片系统的基本工作特性变化规律( 力学特性) ， 分析了芯片系统的抗振特性与振动强度、振动频率以及结构参数之间非线性特性的变化 规律。研究表明该芯片系统的工作特性具有一定的非线性规律和良好的设计可控性。 本文的研究结果可作为以后进行该类芯片振动可靠性研究的基础，对该类电路板组 件的结构优化和可靠性设计有重要的参考价值。 关键词：c s p 组件，动态特性，振动，疲劳寿命，抗振特性 c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) i si n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga ni n d i s p e n s a b l ep a r to ft h e e l e c t r o n i ce q u i p m e n ts t r u c t u r ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，a n dt h e e l e c t r o n i cc o m p o n e n t so np c bh a v eb e c o m ei t sc o r ep a r t e l e c t r o n i ce q u i p m e n ti n e v i t a b l y s u b j e c t st om e c h a n i c a lv i b r a t i o na n ds h o c ki nt h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r e ，t r a n s p o r t a t i o na n d u s e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nm e c h a n i c a lr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sm a k e sg r e a t s i g n i f i c a n c e ，a n dt h er e s e a r c ho nm e c h a n i c a lr e l i a b i l i t yo fc s pc h i p ，w h i c hi so n e o ft h em o s t p r o m i s i n gi n t e g r a t e dc i r c u i tf o r m si nt h ec u r r e n t ，b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ac s pa s s e m b l yi n t e g r a t e dc h i p si sm a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt od i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n d m a t e r i a l p a r a m e t e r s ，a n d i t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，f a t i g u ep r o p e r t i e s a n db a s i c a n t v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s os t u d i e d t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fc s p a s s e m b l yi sf i r s t l ys t u d i e db ym o d a la n a l y s i sm e t h o d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc s pa s s e m b l yi se s t a b l i s h e da n dc o n d u c t e dl o a d i n gc a l c u l a t i o n u n d e rd i f f e r e n tc o n s t r a i n t s t h ec h i pi ss i m p l i f i e dd u et oe x c e s s i v es o l d e rj o i n t si nt h e m o d e l i n gp r o c e s s c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ，t h ef i r s t f i v en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dt h em o d a ls h a p ea r eg o tc o r r e s p o n d i n gm o d a lf r e q u e n c i e so ft h e c o m p o n e n t s i ti sa l s ov e r i f i e dt h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sr i g h t s ot h em o d e l i n gm e t h o d c a nb eu s e da st h ef o u n d a t i o nt oe s t i m a t et h ef a t i g u el i f ea n do p t i m i z a t i o nf o rc s pa s s e m b l y d e s i g ni nt h ef u t u r e t h e nt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fc s p a s s e m b l ya r ed i s c u s s e di nv i b r a t i o ne n v i r o n m e n t b y c o m b i n i n ge x p e r i m e n t a lt e s tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es i n u s o i d a le x c i t a t i o na n dr a n d o m e x c i t a t i o nl o a da r em a d et oc s p a s s e m b l yi nv i b r a t i o nt e s t t h ef a t i g u el o a ds p e c t r u mo f e a c h c h i pi se s t a b l i s h e d u n d e rd i f f e r e n te x c i t a t i o n t h es t r a i na m p l i t u d ea n da v e r a g eu n d e r d i f f e r e n ts t r e s sa r eo b t a i n e db yu s i n gt h er a i n f l o wa l g o r i t h m b a s e do nt h eh i g h - c y c l ef a t i g u e l i f ef o r m u l a ，t h ec h i p s f a t i g u el i f eu n d e rd i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o n si so b t a i n e d t h es n c u r v e sa r ee s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ee f f e c t so nt h ef a t i g u el i f ec a u s e db yd i f f e r e n tp a c k a g e f o r m s ，s o l d e rm a t e r i a l ，t h ec h i pp o s i t i o na n ds i z eo ft h ee x c i t a t i o n f i n a l l y , a na n a l y z i n g m e t h o dt op r e d i c tt h ev i b r a t i o nf a t i g u el i f eo fc r i t i c a ls o l d e rj o i n t so ft h ec h i pi so b t a i n e d b a s e do nt h et h r e e - b a n dt e c h n i q u ea n df a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o nt h e o r y i i i c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 t h ea n t v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc s pa s s e m b l ya r ec o n s i d e r e di nt h ee n d t h e v i b r a t i o nt e s ts y s t e mi ss c h e m e df o rt h ec h i po fc s pa s s e m b l y m e a n w h i l e ，t h ec h a n g i n g r u l e sf o rt h eb a s i cw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c s ( m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ) o ft h ec h i ps y s t e ma r e o b t a i n e db yd i f f e r e n tv i b r a t i o na m p l i t u d e s ，v i b r a t i o nf r e q u e n c i e sa n dp a c k a g e df o r m s t h e c h a n g er u l eo fn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e na n t v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dv i b r a t i o n i n t e n s i t yi sa n a l y z e d t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h i ps y s t e m a l s oh a v es o m en o n l i n e a r i t yr u l e sa n dg o o dd e s i g nc o n t r o l l a b i l i t y t h er e s u l to ft h i si n v e s t i g a t ec a nb eu s e da st h eb a s i ct h e o r i e so ft h ev i b r a t i o nr e l i a b i l i t y r e s e a r c hi nt h ef u t u r e ，i ta l s oa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n d r e l i a b i l i t yd e s i g no ft h ec i r c u i tc o m p o n e n t s k e yw o r d s ：c s pa s s e m b l y , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，v i b r a t i o n ，f a t i g u el i f e ，a n t v i b r a t i o n i v c h a r a c t e r i s t i e s 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 微电子封装简介2 1 3 芯片尺寸封装( c s p ) 3 1 4 课题的国内外研究现状4 1 5 课题的主要研究内容和意义6 1 5 1 主要研究内容6 1 5 2 课题研究的意义7 第二章c s p 组件的模态分析8 2 1 模态分析基本理论8 2 1 1 模态分析概论8 2 1 2多点激励单点响应法的理论基础8 2 2c s p 组件的试验模态分析9 2 2 1 试验样品的制备9 2 2 2 模态试验方案设计1 1 2 2 3 模态试验的主要设备1 1 2 2 4 模态试验原理及过程1 2 2 3 有限元模拟计算1 3 2 3 1 几何模型的建立1 3 2 3 2 网格划分1 5 2 3 3 加载求解过程1 6 2 4 试验与仿真结果对比分析1 7 2 4 1 试验与仿真结果1 7 2 4 2 试验与仿真的结果分析1 8 2 5 本章小结1 8 第三章c s p 组件的振动疲劳特性分析1 9 3 1 试验原理及设备1 9 v c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 3 1 1 试验原理1 9 3 1 2 振动试验的主要设备2 0 3 2 正弦振动测试及分析2 1 3 2 1 扫频测试2 2 3 2 2 疲劳寿命分析2 2 3 3 随机振动疲劳损伤累积分析2 7 3 3 1 随机载荷的施加2 7 3 3 2 疲劳损伤累积理论与计算2 7 3 4 振动试验结果与讨论2 9 3 5 本章小结3 0 四章c s p 组件系统的抗振特性测试3 l 4 1c s p 组件系统的动力学模型3 1 4 2 c s p 组件系统的抗振特性试验3 2 4 2 1 振动试验系统3 2 4 2 2 测试的主要设备3 3 4 2 3 测试过程3 3 4 2 4 试验数据分析3 4 4 3 试验结果与讨论4 4 4 4 本章小结4 5 五章结论与展望4 6 5 1 结论4 6 5 2 未来展望4 7 考文献4 8 谢5 3 读硕士期间发表的论文及成果5 4 江苏大学硕士学住论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 二十一世纪被称为是信息时代，而通过电子设备进行的信息传播无时无刻不在进 行，电子设备己经渗入到现代社会的各个领域。电子设备在运输、贮存和使用过程中不 可避免的要受到振动、冲击等环境应力的作用，在这种恶劣的环境下，电子设备的可靠 性面临着严峻的考验。电子设备结构中，印刷电路板( p c b ) 是必不可少的一部分，电 子设备的大部分缺陷都来源于p c b 板上的电子器件，其可靠性对电子设备至关重要。因 此电子封装产业的发展，其重要性越来越突出。 目前，围际上已经将微电子封装( m i c r o e l e c t r o n i c sp a c k a g i n g 或称为i c 封装) 与i c 设计、i c 制造以及i c 测试并列称为i c 产业的四大支柱。微电子封装技术已涉及到材 料、电子、热学、力学、化学、可靠性等多种学科，并与i c 芯片同步发展的高新技术 产业【1 】。表【臼i 贴片封装技术( s m t ) 被誉为2 0 世纪9 0 年代世界十大新技术之一，s m t 以其成本低、集成度高、电子封装件重量轻、易于自动化等优点广泛应用于微电子封装 产业【2 】。球栅阵列封装( b a l lg r i d a r r a y , b g a ) 、芯片尺寸封装( c h i ps c a l ep a c k a g e ，c s p ， 在b g a 基础上发展的表面封装形式) 两种封装形式是s m t 技术在微电子封装中的最新 应用。特别是c s p 在诞生的短短几年间就获得了巨大的发展，日本、美国分别在1 9 9 6 年8 月和1 9 9 7 年实现了c s p 的批量生产【3 】。 研究表明：在确定焊接工艺、设备的前提下，6 5 一8 0 封装焊点失效可以归咎为温 度载荷的作用，1 0 封装失效为振动及冲击载荷的作用，1 0 为其它1 1 1 。由于温度载荷 的作用是封装失效的主要原因，人们对它的研究也起步较早，到目前为止对温度冲击失 效机理的研究已相当成熟【舢9 1 ，如d a r v e a u xr 等人应用粘塑性理论对温度载荷( 温度冲击 和温度循环) 作用下b g a 焊点的可靠性进行了研究，得出焊点在热载荷作用下失效主要 原因是元件和基板材料的热膨胀系数( c t e ) 匹配不当引发的蠕变损伤，并对温度载荷作 用下b g a 封装进行了模拟，给出了温度失效寿命预测的公式，并提出了温度载荷下焊 点形态优化方案；谭广斌等利用田口试验法对温度循环载荷作用下的p b g a ( 塑料球栅 阵列封装) 焊点进行了可靠性分析。但是，随着大量的c s p 封装类型的电子产品( 尤其 是便携式电子产品如手机、手提电脑等1 越来越广泛地应用于各种恶劣的环境，在这些 c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 境f 产生的振动冲击对封装件可靠性的影响也是不能忽视的，同时人们对这类电子产 的可靠性和抗振特性要求越来越高，因为在这些应用领域根本不允许意外情况发生。 此，进行c s p 封装焊点的振动疲劳特性和芯片系统的抗振特性研究是非常重要的。 2 微电子封装简介 微电子封装可定义为利用膜技术及微细连接技术，将集成电路器件及其它元器件排 在框架或基板上、固定及连接，引出接线端口，并通过绝缘塑料模封固定，构成整体 构的工艺【1 0 l 。换言之，微电子封装就是解决有关如何将硅片上的电路接到外部世界 问题f 1 1 1 。由于微电子芯片尺寸小，容易受到机械破坏，需要电子封装技术为芯片提供 护与互连结构。微电子封装的作用可以概括为【1 2 】： ( 1 ) 电性能互联作用。保证电子芯片的信号输入输出( i o ) 和电源的分配； ( 2 ) 机械支撑和保护作用。保护电子芯片不受物理破坏和化学侵蚀； ( 3 ) 散热的作用。芯片在工作过程中产生的热量需及时散发出去，以保证芯片稳定 工作，封装在这一过程中起着非常重要的作用，封装结构设计的好坏直接影响到散热效 率和整个系统的工作可靠性。 对封装总体来言，电子封装大致可以分为以下五个级别【1 2 】，前三级封装如图1 1 所 示： 2 图1 1 前三级封装示意图 f i g 1 1t h r e el e v e l so fe l e c t r o n i cd e v i c e 江苏大学硕士学位论文 零级封装：晶圆的i c 设计与制造，用复杂的薄膜工艺在硅等半导体晶片上完成集 成电路的制造。 一级封装：将i c 芯片封装在基板上并完成其电路连接与保护过程，又称为模组 ( m o d u l e ) 或芯片级封装( c h i p l e v e lp a c k a g i n g ) 。 二级封装：将一级封装完成的元件组合到电路板上的过程。常用的封装形式有通孔 技术( t h r o u g hh o l et e c h n o l o g y , t h t ) 和s m t 。t h t 封装是在p c b 板上钻孔并镀上一 层导电膜，再将元件插入镀膜通孔中，然后经过波峰焊焊接而成。而s m t 则是将焊膏 涂在p c b 板上，再将元件粘贴到相应连接位置，经回流焊完成连接。由于s m t 具有较 高的i o 密度，大大地缩小了封装的体积，因而逐渐取代了t h t 。 三级封装：将若干个电路板组合在一个主机板上，使其成为次级系统的过程。 四级封装：多个次级系统组合成一个整体的电子产品。 从集成电路的产生到现在，微电子封装经历了一系列的发展过程。目前，电子产品 朝多功能、大容量、高速化、高密度、轻薄短小等趋势发展，新型的封装技术也不断出 现，如多芯片模组封装( m u l t i c h i pm o d u l e s ，m c m ) 、引线覆盖芯片封装( l e a d o i l c h i p ， l o c ) 、b g a 、倒装芯片( f l i pc h i p ，f c ) 、c s p 以及三维封装( 3 d i m e n s i o n a lp a c k a g e ) 等等。 1 3 芯片尺寸封装( c s p ) c s p 封装是最新一代的内存芯片封装技术，是由最近几年流行的b g a 向小型化、 薄型化方向发展而形成的一种新的封装形式。c s p 封装可以让芯片面积与封装面积之比 超过1 ：1 1 4 ，已经相当接近1 ：1 的理想情况，绝对尺寸也仅有3 2 平方毫米，约为普通的 b g a 的1 3 ，仅仅相当于t s o p ( 薄型小尺寸封装) 内存芯片面积的1 6 ，与b g a 封装 相比，同等空间下c s p 封装可以将存储容量提高三倍。c s p 封装不但体积小，同时也 更薄，其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有0 2 毫米，大大提高了内存芯片在长 时间运行后的可靠性，线路阻抗显著减小，芯片速度也随之得到大幅度提高。其典型结 构如图1 2 所示【1 3 】，主要由i c 裸芯片和垫片两部分组成。芯片与垫片问采用w b ( 引线 键合) 、f c ( 倒装片键合) 、t a b ( 载带自动键合) 等技术实现内部连接，而外部连接有 触针、焊球、焊柱三种形式，在布局上也有周边型和栅阵型两种。芯片与垫片间通常有 填充物以缓和两者在c t e 方面的失配，从而减少应力。 3 c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 填 互连( 触针 焊球t 5 起 图1 2c s p 芯片结构图 f i g 1 2s t r u c t u r eo fc s pc h i p c s p 封装具有如下一些特点【1 4 。1 9 】： ( 1 ) 尺寸小、重量轻。c s p 封装的小型化、薄型化有效地降低了封装材料的成本和 p c b 板上的占有面积，而且对于航空、航天，以及对重量有严格要求的产品极为有 利； ( 2 ) 电性能好。c s p 封装可实现3 倍于常规封装形式的组装密度，能有效地减小 芯片封装后的厚度，并且芯片与p c b 板的间距不超过1 0 0 9 m ，从而有效地降低了封 装带来的电感、电容等寄生效应的影响，大幅度地提高了c s p 芯片的电性能； ( 3 ) 散热性能好。c s p 很薄，芯片产生的热可以迅速传到外界。通过空气对流或 安装散热器的办法可以对芯片进行有效的散热： ( 4 ) 输入输出端数多。在相同尺寸的各类封装中，c s p 的输入输出端数可以 做得更多； ( 5 ) 检测和设计容易。与裸芯片安装方式相比，c s p 提供了坚固的封装保护，便于 操作，可测性好，并在大多数情况下具有与p c b 板相匹配的标准引脚，组装起来容易， 通常无须对p c b 进行重新设计。 1 4 课题的国内外研究现状 近年来，由于封装芯片的应用越来越广泛，封装芯片在振动冲击下的可靠性问题显 得尤为重要。国内外的一些学者在这方面做了广泛的研究，如a r r am 等人采用自由落 体跌落试验方式测试了无铅焊点在机械载荷作用下的力学特性，从材料角度研究了 b g a 焊点的力学性能t 2 0 l 。英特尔公司的g e n gp h i l 等人研究了有关机械载荷作用下应变 率对焊点失效的影响情况【2 1 】。l u a nj e 等人进行了无铅b g a 芯片的板级跌落试验、失 效分析和数值模拟，探讨了焊球高度、大小等对跌落试验结果的影响1 2 2 1 。j d w u 等研 究了c s p 封装芯片在弯曲循环下的失效和疲劳寿命，通过输入一定的挠曲水平观察疲 4 劳寿 的影响【2 3 1 ，a l a j o k im 等研究了焊料、焊膏、焊盘结构以及p c b 保护涂层对w l c s p ( 晶 圆级芯片封装方式) 封装形式跌落试验可靠性的影响【冽。t i l m a ne c k e r t 等设计了一个 f c 组件，探讨了该组件中无铅焊点在热循环和振动载荷共同作用下的疲劳寿命预测方 法【2 5 1 。l u a nj e 等采用理论分析和数值模拟的方法研究了冲击脉冲参数对焊点应力的影 响，研究表明，焊点应力随着加速度峰值的增大而明显增大，但是持续时间对焊点应力 的影响却不明显 2 6 1 。y a n gp i n g 等人对在冲击条件下p b g a 焊点应力进行了数值分析， 通过有限元仿真分析了一些影响焊点应力分布的因素。结果表明焊点位置的不同所受到 的应力也不同，而角端焊点承受的应力最大。另外焊点的高度和弹性模量对应力的影响 不大，而增加焊点直径、减小焊点的弹性模量会使角端焊点承受的最大应力变大【2 7 1 。 陈逊等人采用有限元分析软件a n s y s 的a p d l 编程设计功能对p b g a 组件建立实体模 型，研究了焊点形态对焊点可靠性的影响【2 】。 有关振动可靠性方面的研究主要集中在p c b 板的可靠性测试和焊点振动可靠性的 问题。前者s t e i n b e r g d s 对电子设备( 电子机柜、元器件和p c b 板) 的振动冲击进行了 理论分析，提出了著名的s t e i n b e r g 方程，其精髓是为了提高p c b 组件的的振动疲劳寿命， 必须尽量提高p c b 板的固有频率( 阶频率) 【绷。q j y a n g 等人通过模态测试和有限元 分析研究t p b g a 组件的动态特性对p c b 板的影响【2 9 1 。t i n 。l u pw a n g 等对表面贴装元器 件的p c b 板进行了动态特性预测【3 0 l 。p i a t r r e s ij m 等对p c b 板的支撑位置进行了优化分 析，以减小动态响应幅度【3 1 】。a r t u r o o c i f u e n t e s 等通过对一特定的p c b 板进行模态分 析，提出t p c b 板动态响应估计应注意的问题【3 2 1 。r k s i n g a l 等利用试验模态分析手段 研究了附加集中质量p c b 板的动态特性【3 3 1 。w a y n et u s t i n 对电子设备如何避免共振问题 做了一些探讨【3 4 】。杨平等人通过对p c b 组件模型的有限元分析和模态测试研究了p b g a 芯片在p c b 板上焊接位置以及p c b 力n 固方式对动态特性的影响【3 5 】。电子科技大学的程诗 叙等人提出了基于模态分析的p c b 布局布线抗振设计，提出了建立结合抗振设计的最优 化电路设计思想【刈。 后者国外如q j y a n g 等人做了在定振幅振动下p b g a 焊点的试验测试，并描绘了 c y c l e f a i l u r e 线，提出了该类试验中可能遇到的一些问题f 3 7 1 。t e w o n g 等人以试验为 基础，结合了高周疲劳寿命的经典方程m a n s o n c o f f m 方程和累积疲劳损伤的m i n e r 准则 推导了p b g a 焊点寿命预测模型【3 8 1 。香港理工大学的s h i w r e ir i c k yl e e 等人做了无铅 p b g a 焊点在基板可靠性方面的评估，并做了大量试验，综合了热循环和振动环境【3 9 1 。 5 研 循 位 件 板 振 了 进 的m a n s o n c o f f m 方程，采用超单元建模技术，对s m t 焊点随机振动疲劳可靠性进行了理 论和试验研究，用线性回归分析方法拟合出了焊点参数不同对寿命影响的两个参数，指 出连续不断的冲击使得焊点疲劳效应不断扩展，最终导致焊点断裂失效【4 2 1 。杨平等研 究了p b g a 组件在随机激励下的动态可靠性，文中设计制作了一块包含不同结构和材料 参数的p b g a 组件样品，利用疲劳可靠性试验方法对试验样品进行了随机激励下的加 载，发现了评估p b g a 缍 件系统动态疲劳特性的方法，并结合三带技术推导了p b g a 组 件的疲劳寿命【4 3 j 。 对于c s p 封装的振动疲劳特性以及c s p 芯片系统的基本抗振特性方面在国内外研究 中相对较少，为此本课题针对c s p 封装芯片的振动疲劳特性和基本抗振特性展开了一些 研究。 1 5 课题的主要研究内容和意义 1 5 1 主要研究内容 ( 1 ) 利用模态分析的方法研究c s p 封装芯片的动态特性，通过有限元仿真和试验模 态相对比，得到了该c s p 组件的前五阶固有频率及相应频率下的模态振型等模态参数， 为结构设计及修改提供参考依据。 ( 2 ) 通过试验测试和理论计算相结合研究了c s p 组件在振动环境下疲劳特性。建立 了不同激励下各芯片的疲劳载荷谱，得到了芯片在不同应力条件下的疲劳寿命，分析了 不同封装方式、焊点材料、芯片位置以及激励大小对芯片疲劳寿命的影响，并得到了一 种芯片关键角端焊点振动疲劳寿命预测的分析方法。 ( 3 ) 基于抗振防护理论和方法，通过试验研究了c s p 组件系统自身的基本抗振特性。 6 江苏大学硕士学位论文 针对该c s p 组件设计了振动试验系统，讨论了不同振动幅值、振动频率以及封装类型对 芯片系统基本工作特性的影响( 力学特性) 。 1 5 2 课题研究的意义 本课题立足于本实验室在电子封装领域取得的研究成果之上，针对最近几年应用广 泛的c s p 封装芯片对其展开了动态特性、振动疲劳特性以及单个芯片系统的基本抗振 特性等方面的研究，通过该课题的研究进一步探讨了c s p 封装的振动可靠性试验与疲 劳寿命的预测方法，并对c s p 芯片系统的基本抗振特性展开了初步的试验研究，对提 高芯片自身的抗振能力具有一定的指导意义，对c s p 芯片的研发与生产有一定的参考 价值，另外对以后进行更先进的封装芯片研究打下基础。 7 c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 第二章c s p 组件的模态分析 1 模态分析基本理论 1 1 模态分析概论 模态分析技术从2 0 世纪6 0 年代后期发展至今已趋成熟，它和有限元分析技术一起 为结构动力学的两大支柱，模态分析作为一种“逆问题”分析方法，是建立在试验基础 的，采用试验与理论相结合的方法来处理工程中的问题。 模态分析的经典定义【4 q ：将线性定常系统微分方程组中的物理坐标变换为模态坐 ，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的 态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。由于采用模态截断的 理方法，可使方程数大为减少，从而大大节省了计算时间，减小了机器容量，降低了 算成本。这对大型复杂结构的振动分析带来很大的好处。 模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的特性分析、故障诊断 预报以及结构动力学特性的优化设计提供依据。 物体在作自由振动时，其振动的振幅及初相位与振动的初始条件有关，而振 的周期和频率决定于系统本身的参数( 材料的弹性模量，结构的形状，边界条 及质量分布) ，而与初始条件无关，它是系统本身所固有的特性，称作固有频率， 应该固有频率的振动形状就是该阶的主振型。固有频率和主振型都是振动分析 极重要的参数，可以通过系统的自由振动方程求出。对于实际的工程结构均可视 有咀尼的多自由度系统【4 5 1 。 馍态分析技术的应用可归结为以下几个方面： ( 1 ) 评价现有结构系统的动态特性； ( 2 ) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计； ( 3 ) 诊断及预报结构系统的故障。 1 2 多点激励单点响应法的理论基础 在模念试验中，不同的参数识别方法对频响函数测试的要求不同，因而所选激励方 也不同。一般常用的有两种方法：即单点激励多点响应法和多点激励单点响应法。在 江苏大学硕士学位论文 多点激励单点响应法的理论推导【4 5 删： 响应计算公式如下式所示： m = 喜d = 喜老糌 亿1 ) 。鲁t 【1 一( 苦) 2 + _ 2 缶( 苦) 】鲁砖。一矿叫2 缶 式中纺为系统的模态振型，k r 为模态刚度，c a r 为模态频率，缶为模态阻尼。 把式r = ( k r - - ( d 2 m r + j 国c r ) 一1 代入式( 2 1 ) ，并由频响函数矩阵阻】= t 旷x j 】可 知【h 】中的任一元素h 盯( c o ) ，其表达式为： 国) = y nr 仍职，= y n h 善丝l (22)ij( 国) = 荟r 吩= r = lf j 耘j t o c r ( 2 2 ) r 鼍 k r 一叫f h r 由式( 2 2 ) 得任一行的频响函数矩阵为 q -q 2 】= 荟n 石= 最【仍r 仍r 】 ( 2 3 ) 可见，由【h 】中的任一行，就可求得所有模念参数，而该行的第r 阶模态的频响函 数值的比值，即为第r 阶模态振型。这个结论说明，在各个点激励，同时在任意固定点 测量响应即可得到【h 】中的任一行频响函数。按照这种原理，在试验中将传感器固定在 2 2c s p 组件的试验模态分析 2 2 1 试验样品的制备 本次试验的样品是将3 个三星公司的无铅c s p 和2 个p m c 公司的含铅b g a 芯片( 2 种不同封装类型的芯片) ，通过表面贴装的方法将其焊接在p c b 板( 1 3 0 m m xl o o m m x 1 6 m m ) 上。在本文中，板上的c s p 芯片作为主要研究对象，b g a 芯片作为对比芯片， 以评价c s p 芯片可靠性的好坏，在芯片的布局时，将p c b 板分为板中心、板边缘中间和 板角端三个部分，三个c s p 芯片分别布局在这三个部分，以分析不同位置对c s p 芯片性 9 c s p 组件的动态特性与振动可靠性研究 1 0 的影响，b g a 芯片分别对应除板中心外的另外两个c s p 芯片，以作对比。封装芯片、 片在p c b 板上的布局和试验样件实物分别如图2 1 、2 2 、2 3 所示： 图2 1 封装芯片 f i g 2 1c s pa n db g ac h i p sf o rs a m p l ei nt h et e s t 们 习 厂l 无铅 一 2 0c s p 一 ， 、 l1 4 、一， o丫 l 一 a 一i 3 l 寸f 无铅 弄铅u 。n f含铅oo 1 c s p c s p 一| 一l1 b g a ，一 1 2 5 _ i 1 4 1事i 1 与1 一 1 1 1 1 。 1u 1 i i i ，_ 、 一i 5 一 v 丫l 含铅 一 2 0 d b g a t o 1 图2 2 芯片在p c b 板上的布局 f i g 2 2c h i pd i s t r i b u t i o n so np c bb o a r d 江苏大学硕士学位论文 图2 3 试验样件实物 f i g 2 3s a m p l eo fc s p a s s e m b l i e s 2 2 2 模态试验方案设计 试验的内容是测试c s p 组件在自由一自由状态和约束状态下的模态测试，主要包括： ( 1 ) c s p 组件在自由自由状态下的模态测试； ( 2 ) c s p 组件在四角约束状态下的模态测试； ( 3 ) c s p 组件在对角约束状态下的模态测试。 c s p 组件的测试点采用三维坐标系建立，取1 号点为坐标原点，轴向为z 轴，在x 轴正方向上取7 个点，在y 轴正方向上取5 个点，一共3 5 个测试点，其分布如图2 3 所示。 在自由一自由状态测试时，用橡皮筋将c s p 组件悬挂起来，使试件在任一坐标上都 不与地面相连，自由悬挂在空中。在约束状态测试时，通过螺钉将该组件固定在设计好 的夹具上。