球柵陣列封裝器件振動彎曲變形工藝實驗研究

何國華　周鳳龍　符云峰

摘? 要：開展了隨機振動環境條件下PCB板動態彎曲行為對球柵陣列封裝器件焊點可靠性影響研究;通過評估PCB板固有頻率計算印制板最大動態彎曲撓度，并利用連接器壓接機改進與優化設計開展試驗件彎曲變形試驗。最終通過電性能測試與金相剖切方法評估振動彎曲對球柵陣列封裝器件焊點界面影響。

關鍵詞：球柵陣列;振動;彎曲變形

中圖分類號：TG40 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）34-0105-03

Abstract： The effect of dynamic bending behavior of PCB board on the reliability of Ball Grind Array package device under random vibration environment was studied. The maximum bending deflection of PCB board is calculated by evaluating the natural frequency of PCB board. Moreover， by improving and optimizing design of the connector pressfit machine to conduct PCB board bending experiment. Finally， the effects of PCB vibration bending on the solder joint interface of the Ball Grind Array device were evaluated by electrical performance test and metallographic sectioning method.

Keywords： BGA; vibration; bending

1 概述

BGA（Ball Grid Array）封裝即球柵陣列封裝如圖1所示，它是在封裝體基板的底部制作陣列焊球作為電路的I/O端與印刷線路板（PCB）互聯。具有I/O數量多、貼片成品率高、有利于信號傳輸、結構強度高、易于實現高密度高性能等特點，廣泛應用于數字、射頻、微系統等各類型電子產品中[1]。

同時在電子設備使用環境中，振動引起材料或元器件損傷破壞是造成電子設備失效的重要原因之一。而振動過程中印制板動態彎曲是引起電子元器件引線及焊點受力的主要形式[2]，如圖2所示是高速相機觀察到的印制板振動過程中變形情況。

本文針對某BGA組件振動環境條件PCB板動態彎曲行為進行試驗研究，通過計算評估PCB板固有頻率計算印制板最大動態彎曲撓度，并在連接器壓接機上實現彎曲試驗。最終通過電性能測試與金相剖切評估振動彎曲對BGA焊點界面影響。

2 樣件設計

樣件PCB板參考Topline手冊進行工藝芯片鏈路布線設計，按標準SMT工藝流程組裝;圖3是PCB設計的走線鏈路圖與組裝后的實物。

3 印制板振動動態彎曲響應評價

試驗板結構參數模型如圖4，通過查閱機械工程手冊表獲得參考樣板固有頻率參數如表1。

四點固定支撐情況下參考樣板印制板固有頻率（1階）為71.78Hz，本文試驗板固有頻率可由參考樣板公式（1）換算得到。

（1）

式1中：E彈性模量、ρ材料密度、ε材料泊松比

由于兩種情況下材料相同，所以E、ρ、ε 三個參數均相同帶入公式得：試驗板印制板固有頻率（1階）fn2=67.8Hz;同時PCB板動態位移Zrms可以按公式（2）評估：

式2中：Zrms為PCB動態彎曲位移，Grms代表PCB響應的均方根加速度。

按ECSS-Q-ST-70-08C 中13.3即表2振動試驗要求均方根加速度28.5g，均方根加速度放大倍數一般為固有頻率平方根的0.5-2倍，按經驗公式估算Grms=235g，代入式2計算得出Zrms=0.5mm。

4 壓接設備集成

本實驗中對泰科BMEP-5T連接器壓接機改造后進行壓力彎曲工藝試驗，優化設計方案如下：

4.1 硬件部分

（1）壓力試驗頭與壓接機連接采用波珠螺釘快速定位，其定位原理如圖5所示。

（2）詳細部件按標準壓力試驗設備接頭要求設計，加工完成后的硬件實物如圖6所示。

4.2 軟件部分

泰科BMEP-5T連接器壓接機自帶的壓接程序為可編輯下拉菜單方式，設備并未對程序邏輯關系及流程并作說明;經過對壓接控制程序進行邏輯分析與解耦，獲得設備動作控制的流程圖如圖7;依據此流程進行設備控制編程，完成了四點支撐5點彎曲壓力試驗程序設計。

5 試驗測試

對元器件進行植球焊接，然后在連接器壓接機上實現彎曲試驗。根據試驗件印制板振動動態彎曲響應評價結果，對產品進行四周四點固定支撐的5點彎曲試驗，詳細試驗參數見表3，試驗件所受壓力與變形情況如圖8。

6 結果分析

試驗完成后進行電性能測試顯示BGA無開路異常;對BGA邊角處應力最大位置進行金相分析的結果如圖9，圖中焊點界面未出現斷裂裂紋。證明BGA植球及焊接強度可靠，滿足相關條件振動試驗要求。

7 結束語

本文中應用振動力學方法，通過印制板結構特征及振動環境條件對印制板振動響應中最大變形撓度進行了解析;把一種連接器壓接機改造成5點彎曲試驗機，利用印制板彎曲變形方法來模擬隨機振動環境條件下PCB板動態彎曲行為對球柵陣列封裝器件焊點可靠性影響。最終通過電性能測試與金相分析驗證焊點在變形測試后界面結構形態變化。

參考文獻：

[1]射頻微系統2.5D/3D封裝技術發展與應用[J].電子機械工程，2016，32（6）：1-6.

[2]Steinberg， Dave S. Vibration Analysis for Electronic Equipment[D].University of California，2000.