基于PERA SIM Mechanical的BGA封装布线映射与焊球蠕变分析

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BGA封装焊球在温度循环下的蠕变行为是封装可靠性评估的重要内容，而PCB内层铜布线的等效处理直接影响分析精度。本文基于PERA SIM Mechanical V2026对BGA封装开展基于ECAD文件的布线映射与焊球蠕变分析：划分高质量网格并完成25层叠层PCB的布线数据映射，得到各铜层等效材料属性；并在此基础上创建蠕变分析任务，采用Anand粘塑性本构求解焊球的等效蠕变应变、累积蠕变应变与蠕变应变能密度，为焊球蠕变寿命评估提供理论依据和参考。

关 键 词：BGA封装；布线映射；蠕变分析；有限元分析；PERA SIM Mechanical

           

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球栅阵列（Ball Grid Array，BGA）封装引脚密度高、寄生参数小，应用广泛。温度循环下，封装盖、基板、芯片、焊球与印制电路板（PCB）之间存在热膨胀失配，焊球作为电气与机械连接的关键环节，其蠕变行为决定封装的长期可靠性，需量化评估。

焊球蠕变分析涉及材料非线性与时间相关求解，且PCB内层铜布线数量多、走向复杂，逐根建模在工作量与求解规模两方面均不现实。工程上通常读取ECAD布线数据，将各铜层布线金属占比映射为实体单元的等效材料属性，兼顾计算效率与宏观刚度、热膨胀行为的描述精度。本文基于通用结构有限元分析软件PERA SIM Mechanical V2026，从网格划分、材料定义、布线映射到蠕变求解与结果分析，完成BGA封装焊球可靠性的分析流程。

本文的分析目标是在温度循环载荷作用下获得BGA封装焊球的蠕变响应，考核参量为等效蠕变应变、累积蠕变应变与蠕变应变能密度。关键环节有三：一是PCB各铜层布线金属分布的正确等效；二是焊球粘塑性蠕变本构的合理描述；三是非线性求解过程的稳定控制。

1.1 研究对象

本文研究对象为BGA封装，封装部分包括封装盖Enclosure、基板Sub、芯片Die、粘接层Daf、阻焊层SR、焊盘Pad与焊球Solder，与PCB装配为整体。PCB为25层叠层，其中铜层10个，依次为top、l02_gnd1、l03_sig1、l04_gnd2、l05_pwr1、l06_pwr2、l07_gnd3、l08_sig2、l09_gnd4、bottom；介质层15个（dielectric_1~15）。

2.1 模型建立及简化

本文研究对象BGA封装模型保留封装盖、基板、芯片、粘接层、阻焊层、焊盘、焊球及PCB全部部件，为控制求解规模，模型采用1/4对称简化，结构组成如图1所示。

       

图1 BGA封装结构示意图

2.2 网格划分

利用PERA SIM Mechanical完成高质量六面体共节点网格划分。模型单元规模约200万，采用SOLID实体单元。PCB共25层，各层沿厚度方向需保证足够单元层数，以支撑金属占比的逐层映射。网格模型如图2所示。

       

       

图2 网格模型

2.3 材料定义

PERA SIM Mechanical V2026支持一般属性、线弹性（含正交各向异性）、塑性、热材料性能、超弹性、粘塑性、粘弹性及垫片材料等材料类型。本文按各部件的物理行为分别创建材料模型，共8个：Enclosure、Sub、PCB、Die、Daf、SR、Pad与Solder。

其中PCB板采用FR4正交各向异性线弹性本构；热膨胀系数按正交各向异性给定。布线材料Cu采用各向同性线弹性本构，弹性模量1.21×10⁵ MPa，泊松比0.3，热膨胀系数1.69×10⁻⁵。焊球Solder采用粘塑性材料类型下的Anand蠕变本构，如图3所示；Enclosure、Sub、Die、Daf、SR、Pad的材料类型均采用各向同性材料本构。

       

图3 Anand蠕变本构参数

2.4 布线映射设置

PCB内层铜布线数量多、走向复杂，逐根建模不现实。布线映射的思路为：读取ECAD布线数据中的铜分布描述，将目标实体单元离散化，按选定的插值方法把布线金属占比映射到单元上，将各铜层实际布线密度转化为等效材料属性，避免巨量几何建模，同时保留宏观刚度与热膨胀行为。

PERA SIM Mechanical V2026的布线映射功能位于菜单栏 >> 材料 >> 布线数据导入，支持ODB++、IPC2581与ANF三种ECAD源数据格式，操作流程为：打开布线映射功能、选择源数据、选择映射对象、离散化定义（自定义或标准/精细/粗糙）、显示源点与刚度变化并按需调整、加载数据、激活映射数据与映射材料、选择插值映射方法、数据映射与导出。映射对象为实体单元，共630100个；离散化精度取自定义值0.05，映射材料为Cu（Pad_焊盘），插值映射方法采用三角面片，网格对齐使用坐标系，如图4所示。

       

       

图4 布线映射参数设置

映射完成后，各零件层的金属占比结果列于表1。

表1 各铜层金属占比

由表1可见，接地层与电源层（gnd、pwr）的金属占比普遍高于信号层（sig）：l02_gnd1、l04_gnd2、l07_gnd3与l09_gnd4均在0.90以上，而l03_sig1为0.59213、l08_sig2为0.67126，与信号层布线较稀疏的实际叠层设计一致，其中top层和l02层的映射效果云图，如图5所示。

       

       

图5 TOP层与L02层映射效果云图

2.5 边界条件设置

边界条件包括对称约束与完全固定约束两类，前者用于对称简化后的位移协调，后者用于限制整体刚体 位移；温度循环通过时间－温度载荷施加，如图6所示。

       

       

图6 边界与载荷设置

3.1 计算分析设置

创建蠕变分析任务并指定上述载荷与边界，设1个载荷步，总时长10800 s，固定时间步长50 s（子步216），结果按等间隔点存储；参考温度125 ℃。求解器采用迭代法，共享式内存并行（SMP），核/线程数8，结果输出精度双精度，最大内存150 GB。输出控制中，节点结果输出位移，单元结果输出应力应变，输出方法为积分点解复 制。蠕变分析任务创建界面如图7所示。

       

图7 蠕变分析任务创建

3.2 计算结果

计算完成后，在后处理模块加载结果，查看蠕变应变、累积蠕变应变与蠕变应变能密度。10800 s时刻，蠕变应变为0.00638，累积蠕变应变为0.04103，蠕变应变能密度为1.03400，云图结果和时间历程曲线如图8～图10所示。

       

       

图8 等效蠕变应变结果云图（10800 s）及历程曲线

       

       

图9 累积等效蠕变应变结果云图（10800 s）及历程曲线

       

       

图10 蠕变应变能密度结果云图（10800 s）及历程曲线

本文基于PERA SIM Mechanical V2026建立了BGA封装有限元模型，完成25层叠层PCB中10个铜层的ECAD布线映射，将各层实际布线金属占比转化为等效材料属性，并采用Anand粘塑性本构完成焊球蠕变分析，终止时刻（10800 s）的蠕变应变为0.00638、累积蠕变应变为0.04103、蠕变应变能密度为1.03400。

综上，PERA SIM Mechanical V2026的布线映射结果可直接用于后续焊球可靠性分析，形成"ECAD数据→材料映射→可靠性分析"的完整流程闭环，计算结果可支撑焊球蠕变寿命评估，体现了PERA SIM Mechanical V2026软件在封装可靠性分析中的工程应用能力。