CN117408122B - 随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统 - Google Patents

随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统，属于电子封装器件仿真领域。本发明先进行均匀稀疏化等效，确定第一阶模态的振型中振幅最大的BGA焊点，并以该焊点为中心确定危险区域，然后由危险区域的三维模型和非危险区域的有限元模型构成的整个封装的等效模型，进行随机振动响应分析。本发明保证危险区域所有细节的同时，对非危险区域进行稀疏化处理，使得数值模拟计算效率更高，精确度更高。

Description

随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统
技术领域
本发明属于电子封装器件仿真领域，更具体地，涉及随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统。
背景技术
目前芯片封装越来越集成化，高密度的球栅阵列封装导致BGA（Ball Grid Array，球栅阵列）焊点往小而密的方向发展，而芯片封装在服役环境中受到振动冲击等动态机械荷载，会导致芯片封装的开裂、脆裂等破坏失效。对芯片封装的数值模拟可以降低产品的试验成本，缩短设计周期。
球栅阵列封装焊点数量多，尺寸小，焊点和芯片存在较大的尺寸差异。如果完全根据结构尺寸进行建模，则会导致有限元计算中的网格数量巨大，且现有计算机无法提交计算的问题。因此需要对球栅阵列封装焊点部分进行特殊方法的处理，以满足计算效率和精确度。
目前球栅阵列的等效处理方法有很多种，比如全局材料均匀化法、子模型法、局部材料均匀化法。但是全局材料均匀化法会导致仿真结果精度较低，子模型法和局部材料均匀化法并不能有效降低仿真模型的复杂度，因此，在计算随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力需要新的数值方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统，旨在解决现有球栅阵列等效方法计算效率低、仿真结果精度低的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法，包括：
S1.以焊点总体积相等为原则，对目标封装原始模型中各个球栅阵列进行稀疏化等效，得到整个封装的等效稀疏化有限元模型；
S2.对封装的等效稀疏化有限元模型进行模态分析，得到封装的第一阶模态的振型中振幅最大的BGA焊点，以该焊点为中心，确定危险区域；
S3.对于危险区域，将其还原为原始模型对应部分，对于其他区域，将其保留为等效稀疏化有限元模型对应部分，得到整个封装的等效模型；
S4.对封装的等效模型进行随机振动响应分析，得到各焊点的RMS应力。
优选地，所述对封装原始模型中各个球栅阵列进行稀疏化等效，所述稀疏化等效后的球栅阵列包括个直径为/>高度为/>的等效圆柱形焊点，其中，
其中，为正整数，/>为该球栅阵列原始模型中焊点数量，/>为球栅阵列原始模型中单个焊点的体积，/>的值为原始焊点的高度，/>为向上取整运算符。
需要说明的是，本发明优选上述方式进行稀疏化等效，焊点的总体积不变的同时，确保在整个原始区域内均匀分布，一方面保证在进行随机振动应力分析中焊点的应力贡献度保持不变；另一方面保证焊点稀疏化过程的可行性，即4k个原始焊点稀疏化为1个等效焊点，等效焊点的体积便于计算，等效焊点的位置便于排布。
优选地，对于封装中的不同球栅阵列，稀疏化等效后的单个焊点体积的最大值不超过最小值的三倍。
需要说明的是，网格最小尺寸需兼顾到最小焊点，当体积相差超过3倍时，最大焊点和最小焊点采用同样网格尺寸时，最大焊点则需要划分更多的网格，从而导致整个模型的网格数量增大，计算效率降低。本发明优选上述方式，为后续划分网格和有限元计算提供便利。
优选地，所述以该焊点为中心，确定危险区域，具体为：
取振幅最大的焊点周围4个焊点4个焊点的范围为危险区域，若振幅最大焊点在封装边缘，仅取该芯片BGA阵列内部，不向其他芯片BGA延伸。
优选地，该方法还包括：根据随机振动失效概率分析理论，将焊点的应力和焊点的失效应力进行对比，得到整个封装的随机振动失效概率。
优选地，将应变最大值的焊点确定为危险焊点，根据整个封装的等效模型的/>应变云图，确定危险焊点的Z向最大/>应变。
优选地，该方法还包括：根据危险焊点的Z向最大应变，计算封装的疲劳寿命循环次数：
其中，为疲劳寿命循环次数，/>为危险焊点的Z向最大1σ应变，/>为焊料材料的弹性模量，/>为焊料材料的最终拉伸强度。
为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析系统，包括：处理器和存储器；所述存储器，用于存储计算机执行指令；所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，使得第一方面所述的方法被执行。
为实现上述目的，第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明公开一种随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法和系统，先进行均匀稀疏化等效，确定第一阶模态的振型中振幅最大的BGA焊点，并以该焊点为中心确定危险区域，然后将危险区域的按照稀疏化前的三维模型重新划分网格，建立危险区域的网格，此区域和非危险区域的网格构成整个封装的等效有限元模型，进行随机振动响应分析。本发明保证危险区域所有细节的同时，对非危险区域进行稀疏化处理，使得数值模拟计算效率更高，同时也保证了有限元计算的精确度要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法流程图。
图2为本发明实施例一提供的目标球栅阵列封装结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法，该方法适用于单芯片或者多芯片系统，具体包括：
S1.以焊点总体积相等为原则，对目标封装原始模型中各个球栅阵列进行稀疏化等效，得到整个封装的等效稀疏化有限元模型。
本发明在有限元中进行模型参数等效，需满足等效前后焊点总体积相等。优选地，所述对封装原始模型中各个球栅阵列进行稀疏化等效，所述稀疏化等效后的球栅阵列包括个直径为/>高度为/>的等效圆柱形焊点，其中，
其中，为正整数，/>为该球栅阵列原始模型中焊点数量，/>为球栅阵列原始模型中单个焊点的体积，/>的值为原始焊点的高度，/>为向上取整运算符。
优选地，对于封装中的不同球栅阵列，稀疏化等效后的单个焊点体积的最大值不超过最小值的三倍。
得到稀疏化等效后的焊点数量和焊点直径/>后，可以分别进行球栅阵列封装的三维模型和有限元模型建模。如表1所示，等效后的单个焊点体积越大，焊点和焊点之间距离越大，使得有限元模型中网格数量越小，从而提升有限元计算的效率。
表1 不同模型的焊点参数
S2.对封装的等效稀疏化有限元模型进行模态分析，得到封装的第一阶模态的振型中振幅最大的BGA焊点，以该焊点为中心，确定危险区域。
优选地，所述以该焊点为中心，确定危险区域，具体为：
取振幅最大的焊点周围4个焊点4个焊点的范围为危险区域，若振幅最大焊点在封装边缘，仅取该芯片BGA阵列内部，不向其他芯片BGA延伸。
S3.对于危险区域，将其还原为原始模型对应部分，对于其他区域，将其保留为等效稀疏化有限元模型对应部分，得到整个封装的等效模型。
S4.对封装的等效模型进行随机振动响应分析，得到各焊点的RMS应力。
对封装的等效模型进行随机振动响应分析之前，先将整个封装的等效模型重新剖分网格，包括但不限于以下方式：焊点网格单元使用六面体单元，厚度方向上布置4层单元，每层划分8个网格，则单个焊点划分为32个单元；焊点连接的芯片和基板同样采用六面体单元，厚度方向上至少布置4层，单元大小和焊点接近。焊点单元和基板、芯片单元采用共节点耦合的连接方法。
对封装的等效模型进行随机振动响应分析，得到各焊点的RMS（Root Mean SquareStress，应力值的平方根）应力，包括应力。
优选地，该方法还包括：根据随机振动失效概率分析理论，将焊点的应力和焊点的失效应力进行对比，得到整个封装的随机振动失效概率。
优选地，将应变最大值的焊点确定为危险焊点，根据整个封装的等效模型的/>应变云图，确定危险焊点的Z向最大/>应变。
优选地，该方法还包括：根据危险焊点的Z向最大应变，计算封装的疲劳寿命循环次数：
其中，为疲劳寿命循环次数，/>为危险焊点的Z向最大/>应变，/>为焊料材料的弹性模量，/>为焊料材料的最终拉伸强度。
实施例一
第一步、目标球栅阵列封装如图2所示，原始模型球栅阵列，将其做以下等效：焊点数量减小至原模型的1/4，焊点间距增大至原模型的2倍，焊点尺寸（直径）增大至原始焊点的2倍，得到稀疏化模型球栅阵列。
第二步、对球栅阵列等效稀疏化的模型进行模态计算，上下边固定，计算第一阶模态，可得第一阶模态的振型图，得到整个封装振幅较大的区域。
第三步、对于危险区域，将其还原为原始模型对应部分，对于其他区域，将其保留为等效稀疏化有限元模型对应部分，得到整个封装的等效模型。
第四步、对封装的等效模型进行随机振动响应分析，得到各焊点的RMS应力。
根据随机振动的加速度幅值曲线对整体球栅阵列封装进行随机振动响应分析，得到焊点的应力，根据随机振动失效概率分析理论，将焊点的/>应力和焊点的失效应力进行对比，可以得到整个封装的随机振动失效概率。其中，/>应力最大的焊点称为危险焊点。根据细化后的球栅阵列封装结构的/>应变云图，确定最危险焊点的Z向最大应变为0.027%。
第五步、根据危险焊点的Z向最大应变，计算封装的疲劳寿命循环次数：
其中，为疲劳寿命循环次数，/>为危险焊点的Z向最大/>应变，/>为焊料材料的弹性模量，/>为焊料材料的最终拉伸强度。
本实施例中为铅锡焊料，为33.5GPa，/>为37.9Mpa，最终计算出/>为3.7984*107。
实施例二
本实施例采用ANSYS软件，建立包含球栅阵列的球栅阵列封装有限元模型。分别建立了原模型、第一步后的稀疏化模型、第三步后的等效模型，并对比模态求解的准确性，而后建立了网格加密后的有限元模型进行随机振动分析，并进行寿命计算。不同模型的性能参数如表2所示。和原始模型直接计算随机振动寿命和均匀稀疏化模型相比，本发明网格数量明显减少，求解效率大幅提升，精确度有明显提升。
表2 不同模型的性能参数
应当理解的是，上述装置用于执行上述实施例中的方法，装置中相应的程序模块，其实现原理和技术效果与上述方法中的描述类似，该装置的工作过程可参考上述方法中的对应过程，此处不再赘述。
基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种电子设备。该设备可以包括：至少一个用于存储程序的存储器和至少一个用于执行存储器存储的程序的处理器。其中，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行上述实施例中所描述的方法。
基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。
基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。
可以理解的是，本发明实施例中的处理器可以是中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。
本发明实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(random access memory，RAM)、闪存、只读存储器(read-only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable rom，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
可以理解的是，在本发明实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本发明的实施例的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析方法，其特征在于，包括：
S1.以焊点总体积相等为原则，对目标封装原始模型中各个球栅阵列进行稀疏化等效，得到整个封装的等效稀疏化有限元模型；
S2.对封装的等效稀疏化有限元模型进行模态分析，得到封装的第一阶模态的振型中振幅最大的BGA焊点，以该焊点为中心，确定危险区域；
S3.对于危险区域，将其还原为原始模型对应部分，对于其他区域，将其保留为等效稀疏化有限元模型对应部分，得到整个封装的等效模型；
S4.对封装的等效模型进行随机振动响应分析，得到各焊点的RMS应力；
所述对封装原始模型中各个球栅阵列进行稀疏化等效，所述稀疏化等效后的球栅阵列包括个直径为/>高度为/>的等效圆柱形焊点，其中，
其中，为正整数，/>为该球栅阵列原始模型中焊点数量，/>为球栅阵列原始模型中单个焊点的体积，/>的值为原始焊点的高度，/>为向上取整运算符。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于封装中的不同球栅阵列，稀疏化等效后的单个焊点体积的最大值不超过最小值的三倍。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以该焊点为中心，确定危险区域，具体为：
取振幅最大的焊点周围4个焊点4个焊点的范围为危险区域，若振幅最大焊点在封装边缘，仅取该芯片BGA阵列内部，不向其他芯片BGA延伸。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：根据随机振动失效概率分析理论，将焊点的3σ应力和焊点的失效应力进行对比，得到整个封装的随机振动失效概率。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将应变最大值的焊点确定为危险焊点，根据整个封装的等效模型的/>应变云图，确定危险焊点的Z向最大/>应变。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：根据危险焊点的Z向最大1σ应变，计算封装的疲劳寿命循环次数：
其中，为疲劳寿命循环次数，/>为危险焊点的Z向最大1σ应变，/>为焊料的弹性模量，为焊料的最终拉伸强度。
7.一种随机振动工况下球栅阵列封装的焊点受力分析系统，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器，用于存储计算机执行指令；
所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，使得权利要求1至6任一项所述的方法被执行。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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