焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法技术

本发明专利技术公开了焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，属于电子元器件封装技术领域。本发明专利技术通过对回流焊工艺过程进行仿真，获得焊后的最大残余应力，据此建立焊点高度和焊盘半径等尺寸参数与焊后最大残余应力间的变可信度近似模型，采取嵌套和非嵌套的采样方式组成四种变可信度近似模型，并进行预测效果对比，同时使用粒子群优化算法进行焊点尺寸参数的优化，结果验证了变可信度近似模型的预测效果更优并获得其最佳构建方案。的预测效果更优并获得其最佳构建方案。的预测效果更优并获得其最佳构建方案。

【技术实现步骤摘要】
焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法


[0001]本专利技术涉及电子元器件封装
，具体涉及焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法。

技术介绍

[0002]随着电子产品逐步向高性能化、高集成化、微小型化的趋势发展，电子封装得到更为广泛的应用，并成为电子信息产业的核心技术之一。其中球栅阵列封装(Ball Grid Array Package，BGA)因集成度高且性能优异，成为目前电子封装中使用最多的技术之一。BGA焊点在球栅阵列封装中起着电气连接、机械支撑和散热等作用，同样也是高密度电子封装中失效率最高的部位。然而，由于BGA封装中各组件热膨胀系数不同，在回流焊冷却过程中，焊点内会产生热应力，即焊后残余应力。残余应力过大极易导致出现焊点断裂等缺陷，使得焊点连接可靠性下降，增加服役过程中失效风险。因此，BGA焊点残余应力的预测分析与优化，对于降低生产成本和产品缺陷率来说尤为重要。
[0003]目前BGA焊点焊后残余应力存在实测困难、成本较高的问题。上述问题亟待解决，为此，提出焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于：如何解决BGA焊点焊后残余应力实测困难、成本较高的问题，提供了焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，通过对回流焊工艺过程进行仿真，获得焊后的最大残余应力，据此建立焊点高度和焊盘半径等尺寸参数与焊后最大残余应力间的变可信度近似模型，采取嵌套和非嵌套的采样方式组成四种变可信度近似模型，并进行预测效果对比，同时使用粒子群优化算法进行焊点尺寸参数的优化，结果验证了变可信度近似模型的预测效果更优并获得其最佳构建方案。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：
[0006]S1：将回流焊过程分为焊点熔化成型和冷却凝固两个阶段，选择对焊后残余应力影响显著的焊点尺寸参数，即焊点高度h和焊盘半径r作为输入，在焊点融化成型阶段，基于交互式有限元分析软件Surface Evolver模拟单个BGA焊点三维形态；
[0007]S2：将模拟的BGA焊点形态转化为相关文件，基于三维数字化软件SOLIDWORKS构建BGA焊点有限元仿真模型；
[0008]S3：基于数值模拟综合分析软件ANSYS Workbench进行焊后残余应力分析，采用间接耦合方法，以典型回流曲线为边界条件边界条件，对回流焊过程进行仿真计算，获得焊后最大残余应力；
[0009]S4：对两个阶段分别使用增加细化次数的方式，并使用Edge Sizing模块细化网格，进行有限元分析的收敛性检验，确定高/低精度样本点的划分方式；
[0010]S5：使用拉丁超立方采样方法(Latin Hypercube Sampling,LHS)，获取嵌套与非嵌套的高/低精度样本点；
[0011]S6：根据高/低精度样本点、划分方式以及样本点嵌套/非嵌套关系，构建四种Co
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Kriging变可信度近似模型，同时构建RBF单可信度近似模型；
[0012]S7：将Co
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Kriging变可信度近似模型和RBF单可信度近似模型进行焊后残余应力预测效果的验证与对比；
[0013]S8：使用粒子群优化算法，优化焊点尺寸参数方案，以获取BGA焊点焊后残余应力的最小值；
[0014]S9：分别基于Co
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Kriging变可信度近似模型和RBF单可信度近似模型进行全局预测，进行寻优，分别获得最优焊点尺寸方案，并对结果仿真验证，结果表明Co
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Kriging变可信度近似模型的预测性能更优。
[0015]更进一步地，在所述步骤S1中，基于最小能量原理和有限元数值分析方法，定义初始几何条件、能量形式、约束条件、材料性质参数，采用Surface Evolver软件模拟BGA焊点成型三维形态。
[0016]更进一步地，在所述步骤S2中，构建BGA焊点有限元仿真模型的具体过程如下：
[0017]S21：利用Surface Evolver软件使用有限元方法模拟并输出焊点模型的点、面参数文件，将焊点表面分为大量有限的小单元和节点，输出单个焊点的节点坐标参数文本文件，并将其转化为ASCII码格式的面片文件，采用SOLIDWORKS软件实体化焊点模型并装配成为BGA组件，转为“X_T”格式文件；
[0018]S22：根据“X_T”格式文件，采用局部细化Edge Sizing方法划分网格，基于ANSYS软件建立BGA焊点有限元仿真模型。
[0019]更进一步地，在所述步骤S3中，采用ANSYS Workbench有限元综合分析软件，使用间接耦合方法，使用瞬态热学模块对BGA组件施加温度场，将热分析的温度场结果作为载荷，并载入结构分析中进行热结构耦合分析，热分析过程的边界条件为典型回流曲线，结构分析过程的边界条件和仿真结束时刻模拟真实环境设置。
[0020]更进一步地，在所述步骤S4中，在两个阶段分别使用增加份数的方式细化网格，随着网格密度的增加，最大残余应力随着网格的细化逐渐趋近于一确定值；其中，对焊点成型模拟过程，利用Surface Evolver增加细化次数以提高单元密度，使得单元数目呈指数增长，并以细化次数作为收敛性检验的输入参数，最大残余应力为输出参数，得到最终结果；对焊点残余应力分析，仅对焊点阵列四角的焊点进行细化，在ANSYS Workbench的mesh模块内选择Edge Sizing的细化方法并按份数划分网格，以份数作为收敛性检验的输入参数，最大残余应力为输出参数，得到最终结果。
[0021]更进一步地，在所述步骤S5中，根据Co
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Kriging变可信度近似模型对高/低精度样本点关系的限定，分为高/低精度样本点非嵌套、嵌套两种，其中对于非嵌套样本，直接用LHS方法分别生成高/低精度样本点；对于嵌套样本，先用传统试验设计方法独立生成高/低精度样本点，然后对高精度样本点平移，以满足嵌套关系。
[0022]更进一步地，在所述步骤S6中，分别基于所获得的低精度样本数据和高/低精度数据差值构建相应的Kriging近似模型，并通过对样本值的最大似然估计求解Co
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Kriging变可信度近似模型的模型参数值，分别为低精度样本点构建的Kriging近似模型的重要度参数θ
c
、高/低精度数据差值构建相应的Kriging近似模型的重要度参数θ
d
、低精度样本点构建的Kriging近似模型的基函数指数P
c
、高/低精度数据差值构建相应的Kriging近似模型的
基函数指数P
d
、缩放参数ρ，从而确定Co
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Kriging变可信度近似模型的预测估计表达式，其中，构建的Co
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Kriging变可信度近似模型表示如下：
[0023]Z
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将回流焊过程分为焊点熔化成型和冷却凝固两个阶段，选择对焊后残余应力影响显著的焊点尺寸参数，即焊点高度h和焊盘半径r作为输入，在焊点融化成型阶段，基于交互式有限元分析软件Surface Evolver模拟单个BGA焊点三维形态；S2：将模拟的BGA焊点形态转化为相关文件，基于三维数字化软件SOLIDWORKS构建BGA焊点有限元仿真模型；S3：基于数值模拟综合分析软件ANSYS Workbench进行焊后残余应力分析，采用间接耦合方法，以典型回流曲线为边界条件边界条件，对回流焊过程进行仿真计算，获得焊后最大残余应力；S4：对两个阶段分别使用增加细化次数的方式，并使用Edge Sizing模块细化网格，进行有限元分析的收敛性检验，确定高/低精度样本点的划分方式；S5：使用拉丁超立方采样方法，获取嵌套与非嵌套的高/低精度样本点；S6：根据高/低精度样本点、划分方式以及样本点嵌套/非嵌套关系，构建四种Co
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Kriging变可信度近似模型，同时构建RBF单可信度近似模型；S7：将Co
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Kriging变可信度近似模型和RBF单可信度近似模型进行焊后残余应力预测效果的验证与对比；S8：使用粒子群优化算法，优化焊点尺寸参数方案，以获取BGA焊点焊后残余应力的最小值；S9：分别基于Co
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Kriging变可信度近似模型和RBF单可信度近似模型进行全局预测，进行寻优，分别获得最优焊点尺寸方案，并对结果仿真验证，结果表明Co
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Kriging变可信度近似模型的预测性能更优。2.根据权利要求1所述的焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，其特征在于：在所述步骤S1中，基于最小能量原理和有限元数值分析方法，定义初始几何条件、能量形式、约束条件、材料性质参数，采用Surface Evolver软件模拟BGA焊点成型三维形态。3.根据权利要求2所述的焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，其特征在于：在所述步骤S2中，构建BGA焊点有限元仿真模型的具体过程如下：S21：利用Surface Evolver软件使用有限元方法模拟并输出焊点模型的点、面参数文件，将焊点表面分为大量有限的小单元和节点，输出单个焊点的节点坐标参数文本文件，并将其转化为ASCII码格式的面片文件，采用SOLIDWORKS软件实体化焊点模型并装配成为BGA组件，转为“X_T”格式文件；S22：根据“X_T”格式文件，采用局部细化Edge Sizing方法划分网格，基于ANSYS软件建立BGA焊点有限元仿真模型。4.根据权利要求3所述的焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，其特征在于：在所述步骤S3中，采用ANSYS Workbench有限元综合分析软件，使用间接耦合方法，使用瞬态热学模块对BGA组件施加温度场，将热分析的温度场结果作为载荷，并载入结构分析中进行热结构耦合分析，热分析过程的边界条件为典型回流曲线，结构分析过程的边界条件和仿真结束时刻模拟真实环境设置。
5.根据权利要求4所述的焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，其特征在于：在所述步骤S4中，在两个阶段分别使用增加份数的方式细化网格，随着网格密度的增加，最大残余应力随着网格的细化逐渐趋近于一确定值；其中，对焊点成型模拟过程，利用Surface Evolver增加细化次数以提高单元密度，使得单元数目呈指数增长，并以细化次数作为收敛性检验的输入参数，最大残余应力为输出参数，得到最终结果；对焊点残余应力分析，仅对焊点阵列四角的焊点进行细化，在ANSYS Workbench的mesh模块内选择Edge Sizing的细化方法并按份数划分网格，以份数作为收敛性检验的输入参数，最大残余应力为输出参数，得到最终结果。6.根据权利要求5所述的焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法，其特征在于：在所述步骤S5中，根据Co
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K...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梅，王儒，任好，张楚雷，任海林，黄珊，张云斐，王荧飞，王国新，胡子翔，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：