一种热振联合载荷下BGA焊点疲劳寿命预测方法

摘要

一种热振联合载荷下BGA焊点疲劳寿命预测方法，其步骤如下：1.采用有限元分析软件建立单个BGA焊点的有限元模型；2.按照工作环境条件对BGA焊点进行热循环仿真；3.根据热循环仿真结果计算热循环载荷下BGA焊点的损伤率；4.在不同的温度条件下对BGA焊点进行随机振动仿真；5.计算热循环载荷影响下由于随机振动载荷导致的BGA焊点损伤率；6.计算BGA焊点在热循环载荷与随机振动载荷下共同作用下总损伤率；7.计算得到BGA焊点在热振联合载荷下的预测寿命。本发明能够提高实际生产中热振联合载荷下BGA焊点的疲劳寿命的预测准确度，具有一定的工程应用价值。

主权项

1.一种热振联合载荷下BGA焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤一：在有限元分析软件中输入所要研究的BGA焊点的初始条件参数，建立出BGA焊点的有限元模型；步骤二：按照BGA焊点实际工作时的环境条件，在有限元分析软件中通过设置热循环的温度范围和每一个热循环周期的时间，包括高低温的保温时间和升温降温时间来对BGA焊点的有限元模型进行热循环仿真；步骤三：热循环仿真完成后，提取BGA焊点的有限元模型的塑性应变量，将其代入Coffin‐Mason模型中，如公式（2）所示，得到BGA焊点在热循环下的疲劳寿命，再利用公式计算得到热循环下BGA焊点的损伤率D_TC$N_r=\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\Delta \gamma }}{{2ϵ}_f}\right)}^{\frac{1}{c}}---\left(2\right)$其中，D为损伤率，TTF为在某一载荷作用下BGA焊点的疲劳寿命；N_r为热循环下BGA焊点疲劳寿命，C是疲劳塑性指数，ε_f是疲劳塑性系数，△γ为塑性应变量；步骤四：在热循环的温度范围中选择几个关键的温度，在这几个温度下按照实际工作时的环境条件对BGA焊点的有限元模型进行随机振动仿真，随机振动仿真具体流程如下所示：（1）在有限元分析软件中设置受温度影响的参数；（2）利用有限元分析软件对BGA焊点的有限元模型进行模态分析；（3）在步骤（2）的基础上再利用此有限元分析软件对BGA焊点的有限元模型进行随机振动分析；（4）在步骤（3）的分析结果中读取BGA焊点的有限元模型应变最大处的应变响应功率谱密度；（5）把得到的应变响应功率谱密度通过逆傅里叶变换转化为时域应变信息；（6）采用雨流计数法将时域应变信息进行简化，从中获得应变范围及其频率，得到应变范围分布函数；步骤五：根据随机振动仿真得到的结果，利用修正后Coffin‐Manson‐Basquin方程，如公式（3）所示，通过解此方程得到BGA焊点在随机振动下的疲劳寿命；$\frac{\mathrm{\Delta ϵ}}{2}=\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_e}{2}+\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_P}{2}=\frac{{\sigma }_f-{\sigma }_0}{E}{\left({2N}_f\right)}^b+{ϵ}_f{\left({2N}_f\right)}^c---\left(3\right)$其中，△ε是总的应变范围，△ε_e是弹性应变范围，△ε_p是塑性应变范围，E是弹性模量，σ_f是应力强度系数，σ₀是温度导致塑性应力，b是疲劳强度指数，c是疲劳塑性指数，ε_f是疲劳塑性系数，N_f为BGA焊点在随机振动下的疲劳寿命；之后再计算得到在热循环的影响下由随机振动导致的BGA焊点的损伤率D_RV，具体计算过程如下：（1）选择确定的温度；（2）选择该温度下BGA焊点的疲劳损伤系数；（3）根据有限元软件仿真分析得到该温度下随机振动导致的BGA焊点上的应变；（4）根据公式（3）计算该温度下BGA焊点在随机振动载荷下的疲劳寿命；（5）计算该温度保温时间占热循环过程总时间的比值；（6）把步骤（4）计算的结果带入公式（1），得到该温度下随机振动导致的BGA焊点的损伤率；（7）对于其他温度重复步骤（1）～（6）；（8）最后将所有温度下由随机振动造成的BGA焊点的损伤率相累加；步骤六：将计算得到的热循环导致的BGA焊点损伤率和热循环影响下由随机振动导致的BGA焊点损伤率相加，得到BGA焊点在热振联合载荷下的总损伤率，如公式（4）所示D_total=D_TC+D_RV         (4)其中，D_TC是热循环导致的BGA焊点损伤率；D_RV是热循环影响下由于随机振动导致的BGA焊点损伤率；D_total为热振联合载荷下BGA焊点的总损伤率；步骤七：将总损伤率代入公式（5），得到热振联合载荷下BGA焊点预测的疲劳寿命，完成热振联合载荷下BGA焊点疲劳寿命的预测；$N_t=\frac{1}{D_{\mathrm{total}}}---\left(5\right)$其中，D_total为热振联合载荷下BGA焊点的总损伤率，N_t为热振联合载荷下BGA焊点预测的疲劳寿命。