一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲劳寿命预测方法技术

一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：步骤1：构建电子封装电子元件几何模型和有限元模型；步骤2：利用瞬态热分析计算电子封装焊接接头的节点力时域响应；步骤3：计算焊接接头所有节点的热等效结构应力时域响应；步骤4：通过温度变化试验获取电子封装焊接接头的主S

【技术实现步骤摘要】
一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及电子封装


技术介绍

[0002]电子封装作为电路的一个重要组成部分起着电路支撑、密封、内外点连接、散热和屏 蔽作用，对电路的性能和可靠性具有重要影响。一般将封装组件分成不同层级，集成电路 在晶圆上布线或焊锡的过程等称为第0层级封装，通常要经过钎焊、锡焊等方式焊接起来， 然后进行热冲击等温度变化试验对其焊接接头的疲劳寿命进行评估。在焊接、高低温循环 和冲击试验和电子元件使用过程中，会出现电子封装的焊接接头开裂、分层，甚至断裂等 使得整块电路板烧坏、失效，进一步致使整个系统失效从而造成重大损失。
[0003]长期以来，对于焊接接头的疲劳寿命评估主要依靠设计者的工程经验和大量的疲劳测 试试验来反复逐渐地改进。这种传统的设计方式，对设计者的经验要求非常高，并且需要 大量长周期的试验验证，试验成本十分巨大。同时，由于缺乏理论解释，对于如何提高焊 接接头承载能力、延长使用寿命等需求难以给出合理可行的指导意见。
[0004]随着计算机辅助技术的提高，利用有限元分析结构力学问题已成为常用途径。但由于 焊接接头的特殊性，如焊接接头位置应力奇异性，仿真模拟计算结果强烈依赖有限元网格 大小的影响，接头类型无法选择等，导致运用常用的有限元分析途径获得焊接结构有效的 力学特性，进而求解焊接疲劳寿命非常困难。因此，获得电子封装焊缝确切的应力分布， 进而评估疲劳寿命，是一个亟需解决的问题。
[0005]现有相关技术方案一为热应力方法计算寿命。通过ANSYS等商业软件的热
‑
结构耦合有 限元计算分析获得应力大小。但是，有限元应力的峰值强烈依赖于网格大小，尤其是在电 子封装焊接的一些边角位置，当有限元网格越密，应力结果越大，无法获得准确的应力数 值。而这个应力数值又是确定寿命的最重要因素，所以疲劳寿命预测难以准确。另外，电 子焊接接头形式多种多样，导致SN曲线过于分散，难以进行统计和计算，更无法进行寿命 预测。因此，通过热应力方法进而获取热效应下的疲劳寿命是难以进行的。
[0006]现有相关技术方案二是网格不敏感的结构应力法(ASME 2007)。该方法被提出并被证 明可以有效克服焊接结构需要细化网格的问题，以及通过提取焊缝的节点力而不是应力很 好地解决了通用的有限元分析方法导致的焊接接头应力奇异，应力结果不准确问题。该方 法还采用一条主SN曲线解决各种类型焊接接头的疲劳寿命预测，可以获得量化的任意走向 的焊接接头疲劳寿命分布。目前，结构应力已经可以被应用在焊接接头的疲劳寿命分析的 量化指标中。
[0007]但是，目前结构应力法只应用在没有温度变化的常规焊接疲劳寿命预测场合中，并没 有相关方法进行温度变化条件下产生疲劳的焊接疲劳寿命预测，解决温度变化(如温冲) 电子封装等的焊接疲劳寿命预测问题。另外，在温度变化条件下电子封装焊缝类型繁多， 因为焊接接头纤细微小，焊缝长度达到毫米级别，如某电容2.5毫米,角接焊缝0.5毫米高， 按传统主SN曲线难以单独获得该类型接头SN曲线。再者，目前结构应力方法加载载荷
谱 是计算前在结构受载处添加载荷谱，在电子封装的整体结构有温度变化载荷工况下，原加 载方法无法适用。还有，原结构应力法当有载荷谱的计算时，只适合线性有限元分析，当 非线性有限元分析时，如热分析、多层多种材料等非线性情况，无法进行疲劳寿命预测。
[0008]因此，上述传统方法导致难以预测电子封装焊接接头寿命，亟需专利技术新方法解决这些 问题。

技术实现思路

[0009]为有效地解决了温度载荷条件下的电子封装焊缝疲劳寿命预测问题，本专利技术提供了一 种瞬态热分析电子封装焊接疲劳寿命预测方法。
[0010]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲 劳寿命预测方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：构建含焊接接头的电子封装元件的几何模型和有限元模型，包括以下步骤： 1
‑
1、根据尺寸建立含焊接接头的电子封装元件的几何模型：几何模型采用三维建模方法， 创建主体、电极片、基板和焊缝；
[0012]1‑
2、建立含焊接接头的电子封装元件的有限元模型：将焊线处穿过厚度的切面同侧单元和 节点设置为指定组合，设定沿焊线方向的单元集合和沿焊缝方向的节点集合；
[0013]1‑
3、依据实际定义电子封装焊接接头各零部件的材料参数，拟合热冲击曲线；
[0014]步骤2：利用瞬态热分析计算电子封装焊接接头的节点力时域响应，包括以下步骤：
[0015]2‑
1、拟合温度变化曲线：根据已知热冲击曲线图，选取曲线上节点坐标，每两个节点之间进 行线性拟合，获得热冲击曲线的分段函数，将拟合出的温度变化分段函数设置为有限元软件 中的时间
‑
温度加载函数；
[0016]2‑
2、基于步骤1所建有限元模型，依据仿真工况加载载荷边界条件；
[0017]2‑
3、在有限元软件中设置瞬态热分析，包括载荷步数、载荷步长、每个载荷步的子步数作为 仿真计算参数；
[0018]2‑
4、利用热弾性有限元基本理论，求解单元节点力；
[0019]2‑
5：设置有限元软件的输出包含“单元节点力”，输出穿过厚度的切面上所有节点的节点力 瞬态响应时域值F
n
(t)，当壳单元时还获取弯矩瞬态响应时域值M
n
(t)，t为时间；
[0020]步骤3：计算焊接接头所有节点的热等效结构应力时域响应，包括以下步骤：
[0021]3‑
1：在有限元分析结束后，获取有限元计算结果文件；
[0022]3‑
2：读取有限元计算结果文件中的1
‑
2中的焊缝设置的结果数据，包括节点编号、单元编号、 节点坐标、单元类型、瞬态响应节点力F
n
(t)和节点弯矩M
n
(t)时域结果组成有限元结果集合；
[0023]3‑
3：通过3
‑
2取得的节点力和弯矩时域结果，计算出焊缝合集中焊缝中性面节点力和节点弯 矩瞬态时域结果。
[0024]步骤4：通过温度变化试验获取电子封装焊接接头的主S
‑
N曲线；
[0025]步骤5：利用步骤4得到的主S
‑
N曲线，采用瞬态响应等效结构应力雨流计数方法获得每个节点 的响应计数谱，进行寿命计算，对电子封装焊接接头的疲劳寿命进行评估；
[0026]步骤6：如果不满足设计要求，返回步骤1改进设计。
[0027]所述步骤1
‑
2中，实体单元采用八节点六面体或四面体3D网格，壳单元采用四边形或 三边形2D网格，焊线处与母材的单元应沿穿过厚度的切面划分。
[0028]所述步骤2
‑
4中，算法如下：
[0029]假设域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲劳寿命预测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：构建含焊接接头的电子封装元件的几何模型和有限元模型，包括以下步骤：1
‑
1、根据尺寸建立含焊接接头的电子封装元件的几何模型：几何模型采用三维建模方法，创建主体、电极片、基板和焊缝；1
‑
2、建立含焊接接头的电子封装元件的有限元模型：将焊线处穿过厚度的切面同侧单元和节点设置为指定组合，设定沿焊线方向的单元集合和沿焊缝方向的节点集合；1
‑
3、依据实际定义电子封装焊接接头各零部件的材料参数，拟合热冲击曲线；步骤2：利用瞬态热分析计算电子封装焊接接头的节点力时域响应，包括以下步骤：2
‑
1、拟合温度变化曲线：根据已知热冲击曲线图，选取曲线上节点坐标，每两个节点之间进行线性拟合，获得热冲击曲线的分段函数，将拟合出的温度变化分段函数设置为有限元软件中的时间
‑
温度加载函数；2
‑
2、基于步骤1所建有限元模型，依据仿真工况加载载荷边界条件；2
‑
3、在有限元软件中设置瞬态热分析，包括载荷步数、载荷步长、每个载荷步的子步数作为仿真计算参数；2
‑
4、利用热弾性有限元基本理论，求解单元节点力；2
‑
5：设置有限元软件的输出包含“单元节点力”，输出穿过厚度的切面上所有节点的节点力瞬态响应时域值F
n
(t)，当壳单元时还获取弯矩瞬态响应时域值M
n
(t)，t为时间；步骤3：计算焊接接头所有节点的热等效结构应力时域响应，包括以下步骤：3
‑
1：在有限元分析结束后，获取有限元计算结果文件；3
‑
2：读取有限元计算结果文件中的1
‑
2中的焊缝设置的结果数据，包括节点编号、单元编号、节点坐标、单元类型、瞬态响应节点力F
n
(t)和节点弯矩M
n
(t)时域结果组成有限元结果集合；3
‑
3：通过3
‑
2取得的节点力和弯矩时域结果，计算出焊缝合集中焊缝中性面节点力和节点弯矩瞬态时域结果。步骤4：通过温度变化试验获取电子封装焊接接头的主S
‑
N曲线；步骤5：利用步骤4得到的主S
‑
N曲线，采用瞬态响应等效结构应力雨流计数方法获得每个节点的响应计数谱，进行寿命计算，对电子封装焊接接头的疲劳寿命进行评估；步骤6：如果不满足设计要求，返回步骤1改进设计。2.根据权利要求1所述的一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤1
‑
2中，实体单元采用八节点六面体或四面体3D网格，壳单元采用四边形或三边形2D网格，焊线处与母材的单元应沿穿过厚度的切面划分。3.根据权利要求1所述的一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤2
‑
4中，算法如下：假设域内共有N个节点，那么节点位移为：δ＝[N]{μ}式中，[N]为形函数；{μ}为节点的位移向量；根据虚位移原理有：
式中，为单元刚度矩阵；为单元热载荷；为单元质量矩阵；为单元面力载荷；{F
nd
}
e
为单元节点力。4.根据权利要求1所述的一种瞬态热分析电子封装焊接接头的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述3
‑
3中，垂直于焊缝的节点力F
yn
(t)、沿着焊缝的弯矩M
xn
(t)，剪切节点力和剪切节点弯矩瞬态时域结果F
xn
(t)、M
yn
(t)，在焊缝中面上获得热结构应力时域曲线,为热结构应力和剪切热结构应力：结构应力和剪切热结构应力：F
xn
、F
yn
是的中性面x、y轴节点力时间历程；M
yn
、M
xn
是中性面y、x轴节点弯矩时间历程；是垂直焊趾线方向的时域的热结构应力；是垂直焊趾线方向的时域的热膜应力；是垂直焊趾线方向的时域的热弯曲应力；是沿焊趾线...

【专利技术属性】
技术研发人员：周韶泽，郭硕，陈秉智，兆文忠，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：