[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

说明书

本发明公开了一种封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，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；S6、对关键单元误差控制下的特征循环寿命计算。本发明克服了传统温度循环(温度冲击)试验研究评估BGA板级互连可靠性成本高、周期长的缺点，减少了可靠性设计对实物验证的依赖性。

技术领域

本发明属于电子封装板级互联技术领域，具体涉及一种封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法。

背景技术

封装单元采用BGA阵列集成实现射频和数字信号的传输，由于板级互连材料体系之间存在的固有热膨胀系数差异，产品在经历交变温度载荷(温度循环或温度冲击)后的由于热应力导致的互连焊点过应力开裂、塑性应变失效或热疲劳失效时有发生，最终导致互连可靠性问题。因此，需要通过正向的理论计算及模拟仿真支撑板级BGA互连的可靠性设计及特征循环寿命预估。

传统的基于试验研究评估BGA互连可靠性的方法周期长、成本高，且重点集中在互连焊点的热疲劳寿命预测上。中国专利CN107203666A公布了一种BGA焊点热疲劳寿命预测方法及系统，通过理论计算及试验测试数据相结合的方法预测疲劳寿命。在前述专利的基础上，中国专利CN104820781B从失效物理技术领域出发，公布了一种不同温度循环载荷顺序加载影响的BGA焊点热疲劳寿命预测方法，考虑了温度载荷的施加顺序带来的影响。上述专利均是采用理论计算公式和试验数据拟合得出最终的热疲劳寿命预估模型，并不涉及阵列BGA板级互连的高精度数值仿真方法。

部分研究文献中，涉及到BGA板级互连温度循环的热力耦合仿真，但由于行业领域的限制，此类仿真并未提出力学行为高保真的BGA焊点等效处理、适用于应力突变下的非线性求解有限元网格控制、宏观-微观多尺度单元迭代精细化求解以及关键单元误差控制下的特征循环寿命计算等方法，导致仿真结果的一致性、稳定性和计算精度无法保证。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法解决了BGA板级互连温度循环的热力耦合仿真时仿真结果的一致性、稳定性和计算精度无法保证的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，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；

S6、对关键单元误差控制下的特征循环寿命计算。

进一步地：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，确定合适的弹性模量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。