所示。前处理模块在这个模块中主要完成参数的定义及有限元模型的建立，参数主要包括单元类型单元实常数材料模型材料特性等建立有限元模型主要有两中途径在中进行直接建模或实体建模，将中创建的实体模型或有限元模型导入进行定的修订后进行有限元分析。求解模块在这个模块中，用户需对分析类型分析选项进行定义，施加载荷并指定载荷歩，然后进行求解。其求解模块主要有结构静力分析结构动力学分析结构非线性分析动力学分析热分析电磁场分析流体动力学分析声场分析等。后处理模块和退出后处理器时间历程处理器求解器前处理器起始层进入河北大学工学硕士论文在求解完成后，需通过后处理器对计算结果进行查看，通用后处理模块可以对前面在时间步或子步的结果进行输出，可以显示变形形状，输出应力场应变场温度场等的等值线图等。另外还可以进行误差估计，对结果数据进行计算等。时间历程后处理模块可以查看节点在时间段内的计算结果随时间的变化情况，可以绘制多个变量随时间的变化曲线。另外，还可以对变量之间进行运算等。主要用于非线性动力学的有限元分析，是目前世界上最著名的对非线性的动力学性能进行分析的有限元程序。其计算方法主要以为主，和算法为辅，以显示分析为主，隐式分析为辅。很多实际试验证明了其对可靠性计算的准确性。现已广泛应用于汽车工业航空航天电子领域石油工业等。图求解流程年，公司与公司合作，推出了，两款软件结合起来，对高度非线性的瞬态动力学过程的能够准确的进行有限元分析，求解分析过程如图所示。首先进行模型的建立，利用建模，或导入中已经建好的模型，然后进行前处理求解的设置，由输出生成个文件，文件可以被编辑，产品模型或建模前处理建立有限元模型计算结果后处理观察实验结果求解编辑修改文件生成关键字文件文件第章焊点在跌落冲击下的有限元分析修改，然后将文件调入到进行求解，最后我们可利用的后处理模块或自带的后处理模块对计算完的结果进行观察分析整理。上述过程也符合有限元方法的般步骤，即前处理求解和后处理。有限元模拟电子元器件在服役过程中发生跌落或冲击时产生的整体的应变率不高，焊料球作为不同电子元件和板连接的关键部位，由于其本身小的尺寸和装置组成部分机械惯性的作用，使焊点处产生很高的应变率，达到。大多数文献在封装跌落冲击的数值模拟中，假设焊点模型为弹性双线性或三线性本构关系，而忽略焊点在冲击载荷作用下表现出来的明显的应变率相关特性。此外，在实际工作状态下，焊点的实际温度可达到其熔点的左右，获得跌落冲击下，和温度应变率相关的精确的材料参数是目前跌落仿真研究中急需解决的问题。有限元模型的建立本文在建模时为避免考虑金属布线及材料层数给仿真带来的困难，现选用简化后的标准测试板。因为在实际的跌落实验中，处于测试板中间位置的封装体受力最大，破坏可能性最大，所以只考虑中间安装个封装体的情况，如图所示，模型中主要包括了以下几项板焊球基板及焊球两端的铜垫，在基板侧的铜垫为阻焊膜，位于板侧的为非阻焊膜，另外，模型中还包括封装用的树脂等。考虑到测试板的对称性，本文只建立的有限元模型，其整体的模型及焊点的有限元模型如图所示，选用有限元单元对整个模型进行网格划分，共划分出个六面体单元和个节点。如图所示封装体共有个焊球，焊球排列方式，焊球直径高度以及焊球间的间距依次为。位于基板与测试板处的铜垫厚度依次为。阻焊剂的开口为，芯片与封装尺寸分别为，模塑封料与基板厚度分别为。河北大学工学硕士论文整体的有限元模型焊球的有限元模型图有限元模型材料参数为了将低银焊点与文献中高银焊点的有限元分析结果进行对比分析，为减小误差，采用与文献中相同的材料模型，即采用考虑应变率效应的材料模型，如下所示第章焊点在跌落冲击下的有限元分析其中分别为动态流动应力，静态流动应力，έ为应变率，为应变率敏感常数。利用的拟合功能和已测得的实验数据进行拟合可得出的数值。下表即为焊球在不同温度下的参数表焊料属性进行有限元模拟时，假设测试板上的其他器件都为线弹性材料，基板和测试板为横观各向同性材料其属性如下表所示表材料属性名称弹性模量泊松比密度基板测试板芯片封装树脂铜垫阻焊层表基板横观各向同性属性，，ν，νν材料温度密度弹性模量泊松比方程参数河北大学工学硕士论文表测试板横观各向同性属性，，ν，νν载荷和边界条件规范建议采用冲击条件中的冲击规范测试便携式电子产品中封装元器件的可靠性。因为冲击规范要求封装体承受的加速度，相当于行动电话或者是其他可携式电子产品由实际高度为的地方自由落下撞击到地面所达到的冲击加速度。为模拟此种封装体产品在正常使用高度不慎掉落而导致产品的损坏，加载载荷使用规范中冲击条件。跌落实验时，板面朝下，板用个螺栓在角点处固定在跌落台上。本文在数值模拟时加载方式采用方法，即将冲击加速度冲击脉冲，时间的半正弦波直接加载在板的个螺栓处的竖直方向，即沿坐标轴方向，如图所示。因为选取模型，所以在对称面上施加对称边界条件，即将对称面外的移动和平面内的转动均设置为。螺栓对板的挟持作用会影响板的变形，对模型的螺栓挟持区上下表面的节点施加水平方向位移约束。图加载示意图第章焊点在跌落冲击下的有限元分析有限元结果分析整个板的冲击过程分为两个阶段，第阶段为承受半正弦波冲击阶段。第二阶段为冲击载荷消失的自由振动阶段，由于板和封装元器件之间的弯曲刚度不致，在跌落冲击瞬间，上不同部位焊点受到的拉压力也不致，导致不同位置焊点承受的应力应变状态不同。当弯曲向下时，封装组件两端处的弯曲变形大，两端焊点受拉伸载荷，承受拉伸应力，中间焊点受压缩，承受压缩应力。当冲击加速度脉冲消失后，组件由于惯性仍保持着上下弯曲振动状态，直至在重力和阻尼力的作用下最终停止运动。当板弯曲向上时，封装组件两端焊点受压缩载荷，承受压缩应力，中间焊点受拉伸载荷，承受拉伸应力。的上下往复弯曲振动使焊点被不停的拉伸和压缩，最终慢慢的产生微裂缝直至最后完全开裂而失效。由此也证明了在跌落冲击下的弯曲变形是引起焊点跌落失效的根本原因，而焊点应力是引起失效的直接原因。的弯曲变形对于评估焊点可靠性是非常重要的。达最大弯曲变形的时刻约为，滞后于加速度达峰值时的，这是因为加速度达峰值时，由于惯性仍保持向下弯曲运动趋势，直至达最大变形。由数值模拟结果得到的板中心相对于固定螺栓的位移如图所示。在跌落冲击中将呈周期性的上下弯曲振动，在阻尼力和重力的作用下其振幅逐渐减小，该曲线随板的振动也呈周期性的变化。图中心相对固定螺栓的位移河北大学工学硕士论文室温下焊点的有限元分析当板向下弯曲达到最大变形时，焊点应力云图如图所示。测试板侧应力云图基板侧应力云图图室温下焊点应力云图从图中可以看出，在焊点阵列中，最外端角点处的焊点在经历跌落冲击载荷时有最大的应力值。因此，该处焊点相比其它位置的焊点更容易失效，最外端角点处应力主要集中在靠近测试板侧焊球的外侧，由于测试板侧的应力值较大，疲劳破坏或者机械破坏产生的裂纹将从测试板侧焊点的外角点开始逐渐向内扩展，并最终导致焊点连接失效。将最大应力集中的单元所在的焊点放大如图所示，从图中可以看出，第章焊点在跌落冲击下的有限元分析最大应力不只是积聚在焊点测试板的侧，还积聚在球体上，这有可能导致受到跌落冲击时，焊点有可能在测试板侧断裂，也有可能发生球体断裂。图关键部位焊点的应力云图温度对焊点的影响测试板侧的应力河北大学工学硕士论文基板侧焊点的应力图时焊点的应力云图图关键部位焊点的应力云图测试板侧的应力云图第章焊点在跌落冲击下的有限元分析基板侧的应力云图图时焊点的应力云图图时关键部位焊点的应力云图对比不同温度下焊点的应力云图可以看出，最大应力皆位于焊点阵列的最外角焊点处。且对于此焊点在基板侧的应力皆小于测试板侧，对应温度，其最大应力依次为，，，随着温度的升高，其最大应力依次减小，符合温度软化效应。从焊球的最大应力分布来看，低温时，焊球的最大应力主要分布在靠近测试板侧，推测焊球断裂模式可能是界面断裂。时焊球的最大应力分布靠近测试板侧，但球体上也积聚有最大应力。推测焊球的断裂模式可能是球体断裂，也可能是界面断裂。与高银焊料的比较与文献中对高银焊料的研究进行对比分析，以室温时为例，对于低银焊料与高银焊料，其弹性模量分别为，河北大学工学硕士论文，低银焊料比高银焊料的弹性模量小了几十倍，因此，低银焊料比高银焊料表现出更优异的延展性。下面对封装的板级跌落的有限元分析的结果进行对比，分别从以下几个方面进行分析，最大应力部位，最大应力大小，最大应力随温度的变化趋势，推测焊球断裂模式。以室温下的有限元分析结果为例，可以看出最大应力部位相同点是最大应力都是积聚在焊交通科学与工程版刘洁，侯利锋，袁国政，等基于纳米压痕实验拟合表面纳米化镁合金弹塑性本构关系热加工工艺成俊器件在电热环境下的可靠性研究华南理工大学，郝虎，何洪文，马立民，等无铅焊点在热疲劳和电迁移作用下的组织演变电子元件与材料周祖锡湿热载荷下无铅焊点电阻应变研究中南大学，牛晓燕微电子封装中无铅焊点的实验研究与可靠性分析太原理工大学，，，，，，，，，，，，，，，，参考文献，，，，‐，，，，，，，，，，，许家誉基于焊点形态及晶粒取向无铅互连焊点可靠性有限元分析哈尔滨工业大学，秦飞，安彤，仲伟旭，等无铅焊点金属间化合物的纳米压痕力学性能焊接学报秦飞，安彤金