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研究生:陳文政
研究生(外文):Wun-Jheng Chen
論文名稱:應用非接觸量測方式探討動態負載對覆晶球柵陣列構裝元件變形與壽命之影響
論文名稱(外文):Using Non-contact Measurement Technique in Investigating the Deformation and Life of Flip Chip Ball Grid Array Components
指導教授:陳永樹陳永樹引用關係
指導教授(外文):Yeong-Shu Chen
口試委員:何旭川黃德言
口試委員(外文):Shiuh-Chuan HeTe-Yen Huang
口試日期:2013-07-22
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:71
中文關鍵詞:形變曲線覆晶球柵陣列構裝隨機振動掃描式雷射都卜勒測振儀
外文關鍵詞:Deformation CurveFCBGARandom vibrationSLDV
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電子元件在運送或動態使用環境下,往往會受到振動所產生之變形與應力。本研究針對典型之隨機振動環境下,覆晶球柵陣列構裝(FCBGA)之電子元件的錫球,所受到之實際振動變形應力加以探究。並從電路板受到振動之模態形變著手,研究此變形曲率與裝置於其上之FCBGA元件受力之關聯性。
實驗首先利用掃描式雷射都卜勒測振儀(Scanning Laser Doppler Vibrometer - SLDV),來量測電路板在隨機振動中之自然頻率與變形量,擷取IC元件下之錫球位移量,再將位移量根據理論公式求出錫球之應力與應變值。
實驗中發現,當激振頻率達第一自然頻率時,電路板因而產生共振,對IC元件形變量有顯著之影響。在探討電路板形變曲線與錫球應力變化的關聯性時,發現當系統處於第一模態,電路板之上、下振動變形,在位移最低點時,其曲率半徑較之在位移最高位置時之值為小,此時產生之形變也較大,故此時錫球受到最大之應力。而以前三個模態比較,以第一模態所產生之變形對元件造成之應力為最大。
關鍵字:形變曲線,覆晶球柵陣列構裝,隨機振動,掃描式雷射都卜勒測振儀
The electronic components always subjected to vibration induced deformations and stressed either during transportation or when using in dynamic environments. This study took a test specimen of flip chip ball grid array (FCBGA) component which was mounted on a printed circuit board (PCB) for investigating the vibration mode shapes and the induced stresses on the solder balls of component. Relationship on the radius of curvature of the deformation and the stresses on the components are calculated.
In the experiment excited with random vibration, the natural frequencies and mode shapes of the PCB assembly were measured with a Scanning Laser Doppler Vibrometer (SLDV) firstly. A series of the dynamic deformation under the FCBGA package were measured with the SLDV. This deformation was then fitted into the theoretical equation for calculating the displacement and strain of the solder balls.
It was found in the experiment that under resonance at the first natural frequency, the PCB deforms most comparing with those at the second and third natural frequencies. When focusing on the first mode shape, it can be found that the curvature of the deformed PCB has the lowest value at the lowest position comparing with that at the highest position during the up and down vibration motions. Thus, this deformation induced stress is larger when the PCB is at the lowest position. Among the deformations of all the first three mode shapes, the first mode causes much severe damage to the solder balls of components.
Key words: Deformation Curve, FCBGA, Random vibration, SLDV
目錄
書名頁 i
論文口試委員審定書 ii
授權書 iii
摘要 vii
ABSTRACT viii
誌謝 x
目錄 xi
圖目錄 xiv
表目錄 xix
符號說明 xx
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的及方法 3
1.3 文獻回顧 4
第2章 基礎理論 7
2.1 隨機振動理論 7
2.2 引腳之力學分析 12
2.2.1以彈簧模擬引腳受力情形 12
2.2.2雙邊引腳封裝形變 13
2.2.3四邊引腳封裝形變 14
2.2.4球柵陣列封裝形變 15
第3章 實驗方法 19
3.1 實驗設備 19
3.1.1試片介紹 19
3.1.2夾具 20
3.1.3加速規 21
3.1.4衝擊鎚 21
3.1.5頻譜分析儀 21
3.1.6雷射感測器 22
3.1.7振動試驗機 23
3.1.8掃描式雷射都卜勒測振儀 24
3.2 自然頻率量測 27
3.2.1自然頻率量測系統架設 27
3.2.2自然頻率量測結果 28
3.3 振動形變量測 31
3.3.1 SLDV量測系統架設 31
3.3.2形變量測步驟 34
3.4 自然頻率量測結果之驗證 37
3.4.1頻譜分析儀與掃描式雷射都卜勒測振儀之自然頻率對照 37
第4章 結果分析與比較 40
4.1 電路板形變後分析 40
4.2 元件形變分析 48
4.3 錫球應力 62
第5章 結論 67
參考文獻 69


圖目錄
圖 1.1電子元件引腳所受往復應力之影響 3
圖 2.1加速度或位移對時間的關係圖 8
圖 2.2隨機信號的產生是由不同正弦曲線疊加而成 8
圖 2.3太空梭發射PSD曲線 11
圖 2.4飛彈PSD曲線 11
圖 2.5 PSD曲線之斜率示意圖 12
圖 2.6雙邊引腳封裝之受力形變示意圖 14
圖 2.7四邊引腳封裝受力之形變示意圖 17
圖 2.8球柵陣列封裝受力之形變示意圖 18
圖 3.1 FCBGA測試電路板 20
圖 3.2改變夾具外觀顏色 20
圖 3.3加速規 21
圖 3.4衝擊鎚 21
圖 3.5頻譜分析儀 22
圖 3.6位移量測設備 22
圖 3.7振動試驗機 23
圖 3.8振動試驗機控制臺 24
圖 3.9量測方式比較 25
圖 3.10雷射都卜勒原理 26
圖 3.11掃描式雷射都卜勒測振儀 26
圖 3.12反射鏡面控制元件 27
圖 3.13測試電路板之兩邊夾持情況 28
圖 3.14自然頻率量測之實驗架設 28
圖 3.15 FCBGA Natural Frequency of Sample #1 29
圖 3.16 FCBGA Natural Frequency of Sample #2 30
圖 3.17 FCBGA Natural Frequency of Sample #3 30
圖 3.18自然頻率對照 31
圖 3.19振動形變量測之實驗架設 32
圖 3.20測試樣本以兩邊夾持方式固定進行實驗量測 33
圖 3.21測試樣本量測位置 33
圖 3.22加速規黏於電路板背面 34
圖 3.23利用彈簧墊片固定夾持之鋁合金 35
圖 3.24外接加速規孔位 35
圖 3.25 PSD曲線設定 36
圖 3.26頻譜分析儀量測自然頻率 37
圖 3.27掃描式雷射都卜勒測振儀量測自然頻率 38
圖 3.28 Hammer與SLDV量測自然頻率 39
圖 4.1使用掃描式雷射都卜形變量測流程 42
圖 4.2 SLDV量測FCBGA 0~500 Hz內頻率 43
圖 4.3中央置放IC元件之電路板的第一模態(73 Hz)之振型 44
圖 4.4電路板在第一模態下其中央IC元件瞬間隨振型之位移變化 44
圖 4.5中央置放IC元件之電路板的第二模態(143 Hz)之振型 45
圖 4.6電路板在第二模態下其中央IC元件瞬間隨振型之位移變化 45
圖 4.7中央置放IC元件之電路板的第三模態(213 Hz)之振型 46
圖 4.8電路板在第三模態下其中央IC元件瞬間隨振型之位移變化 46
圖 4.9對FCBGA在隨機振動實驗與有限元素分析之模態對照 47
圖 4.10 Deformed Shape of the 1st Mode Component 51
圖 4.11 Deformed Shape of the 2nd Mode Component 52
圖 4.12 Deformed Shape of the 3rd Mode Component 53
圖 4.13不同模態下IC元件形變量比較 54
圖 4.14第一模態73 Hz劃置割面線 55
圖 4.15電路板中間裝有IC之第一模態形變曲線從0°~180° 55
圖 4.16電路板中間裝有IC之第一模態形變曲線從0°~180°中間IC局部放大。 56
圖 4.17第二模態143 Hz劃置割面線 56
圖 4.18電路板中間裝有IC之第二模態0°位置形變曲線 57
圖 4.19電路板中間裝有IC之第二模態45°位置形變曲線 57
圖 4.20電路板中間裝有IC之第二模態90°位置形變曲線 58
圖 4.21電路板中間裝有IC之第二模態135°位置形變曲線 58
圖 4.22電路板中間裝有IC之第二模態180°位置形變曲線 59
圖 4.23第三模態213 Hz劃置割面線 59
圖 4.24電路板中間裝有IC之第三模態形變曲線從0°~180° 60
圖 4.25電路板中間裝有IC之第三模態形變曲線從0°~180°中間IC局部放大。 60
圖 4.26 (a)在隨機振動試驗中所量測電路板形變曲線(b)在彎曲試驗中所量測電路板形變曲線 61
圖 4.27第一模態0°位置錫球受電路板形變影響 63
圖 4.28第一模態0°時錫球位置所承受應力 63
圖 4.29第一模態0°時錫球位置所承受應變 64
圖 4.30第一模態180°位置錫球受電路板形變影響 64
圖 4.31第一模態180°時錫球位置所承受應力 65
圖 4.32第一模態180°時錫球位置所承受應變 65
圖 4.33第一模態0°與180°時比較錫球位置所承受應力 66
圖 4.34第一模態0°與180°時比較錫球位置所承受應變 66

表目錄
表 3.1 FCBGA自然頻率量測結果 29
表 3.2頻譜分析儀與掃描式雷射都卜勒測振儀量測之自然頻率對照 39
表 4.1第一模態73 Hz元件表面之形變位移量測結果 51
表 4.2第二模態143 Hz元件表面之形變位移量測結果 52
表 4.3第三模態213 Hz元件表面之形變位移量測結果 53
參考文獻
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