典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测

随着电子封装技术向着高密度、高性能、小型化和低成本的方向发展,振动与热引起的可靠性问题日益成为人们研究的重点。本文以二级陶瓷柱状阵列封装组件为研究对象,研究了典型电子封装结构在振动与热循环载荷作用下的可靠性问题。 主要工作包括:1)建立了振动与热传导的三维有限元模型,分析了结构在正弦激励与热循环载荷作用下的应力应变分布情况;2)根据高周疲劳损伤原理,结合本文正弦激励得到的模拟结果,拟合得到基于应力的寿命预测方程;3)基于累积损伤理论,预测了扫频振动载荷作用下的疲劳寿命,并同时验证了上述方程具有可行性与适用性;4)根据Coffin-Manson疲劳损伤原理和裂纹扩展理论,结合本文热循环载荷得到的模拟结果,拟合得到了基于应变能密度的疲劳寿命预测方程,并通过与诸多试验结果比较,证实了该热疲劳寿命预测模型的有效性。 研究结果表明,电子封装结构中最危险的部位始终位于离电路板中心最远的焊点上;振动载荷作用时,最薄弱的环节位于危险焊点上离电路板较近的体积平均层上,且焊点内的应力与电路板的边界约束条件有关,靠近约束边界的焊点应力明显偏大,电路板的弯曲挠度与焊点内的应力存在一定的同步性质;在热循环载荷作用时,裂纹最早产生于危险焊点上离基板较近的体积平均层上;与电路板的厚度相比,基板的厚度及盖板的存在情况对焊点的热疲劳寿命影响较大。 本文所得结论可为电子封装结构的设计工作提供重要理论参考。