[发明专利]封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法

权利要求书

1.一种封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、简化并绘制带宽射频单元BGA板级互联三维几何模型；

S2、对几何模型中力学行为高保真的非关键区域BAG焊点等效处理；

S3、对几何模型设置求解物理场、定义边界条件和温度载荷，并赋值材料属性；

S4、进行适用于应力突变条件的结构化网络控制，保证非线性求解的收敛性；

S5、通过宏观-微观多尺度单元迭代实现关键BGA焊点的精确求解；

所述步骤S5中宏观-微观多尺度单元迭代为对封装单元BGA板级互连建立宏观粗糙模型，通过力学行为高保真的BGA焊点模型等效方法以及应力突变条件下的结构化网格控制方法完成仿真计算，通过模型切割和边界再生成，将计算出的热变形作为边界条件入到更加详细的单个BGA焊点微观精细模型，实现关键BGA焊点的精细化数值仿真计算；

所述单个BGA焊点微观精细有限元模型，经过单元尺寸缩放求解，使得BGA焊点的最终求解结果不依赖于单元尺寸，求解精度和稳定性得到保证，精度不低于90％；

S6、对关键单元误差控制下的特征循环寿命计算。

2.根据权利要求1所述的封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中BAG焊点等效为圆柱形，其直径和原始BAG焊点的直径相同；通过模拟单个BGA焊点的剪切和拉伸实验，确定弹性模量E^equiv和屈服强度使得等效焊点和原始焊点在受到剪切力和拉伸力的变形相同，保证等效焊点和初始的复杂结构圆鼓形焊点具有相同的非线性机械属性。

3.根据权利要求2所述的封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，所述弹性模量E^equiv及屈服强度通过多轮模拟迭代调整并确定，使得在相同轴向位移、剪切位移下，等效模型与原始模型之间的轴向力σ_normal、剪切力σ_shear平均误差都小于10％，只在负载最大的四个最外侧角落焊点处采用真实的圆鼓形BGA焊球。

4.根据权利要求3所述的封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，所述最外侧角落的BGA焊球的网格，邻近焊盘区域的一层单元厚度≤30um。

5.根据权利要求1所述的封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，所述步骤S4中结构化网络控制具体为：封装单元BGA板级互连有限元模型中各个部件界面处理为共用面，采用共节点互连方式，避免接触带来的非线性问题；金属围框及盖板采用六面体8节点低阶单元，封装单元封装基板、系统母板采用六面体8节点低阶单元，阵列BGA焊球、焊盘采用六面体20节点高阶单元。

6.根据权利要求5所述的封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，所述单元的特征值为：单元长宽比平均值≤5，单元最大顶角平均值≤120°，单元雅各比平均值≤2，单元翘曲因子平均值＜0.1。

7.根据权利要求1所述的封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，所述步骤S6中特征循环寿命计算为对单个BGA焊点微观精细模型的数值仿真结果，根据焊点的应力应变分布梯度，提取靠近焊盘且应力应变最大的一层单元的平均塑性应变能密度ΔW_ave，采用基于能量的Darveaux经验方程计算特征循环寿命；所述一层单元的厚度≤30um。

8.根据权利要求7所述的封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，其特征在于，所述特征循环寿命计算的具体步骤为：

A.对所关注单元建立单元组，对单元组内的各分析单元进行编号，提取选定单元在某个温度循环后累积的塑性应变能密度ΔW_i，并乘以对应单元编号下的单元体积vi，通过线性叠加得到整个单元组的应变能ΔW_layer；

B.通过整个单元组的应变能ΔW_layer除以单元组的总体积V_layer，得到该循环内的单元的累积平均塑性应变能密度；

C.重复步骤A和步骤B，得到第n个稳定循环后的累积平均塑性应变能密度，减去第n-1个稳定循环后的累积平均塑性应变能密度，得到该单元组单个稳定循环内的平均塑性应变能密度ΔW_ave，并采用基于能量的Darveaux经验方程计算特征循环寿命。