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3秒自动关闭窗口PT100传感器分析球栅数显表故障及处理方法-仪表展览网
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PT100传感器分析球栅数显表故障及处理方法　球栅数显表和球栅尺，是目前国际上最新一代长度测量传感器。主要应用于直线移动导轨机构或精密位移量的测量，可实现移动量的高精确显示和自动控制。,
不锈钢电热管
铸铝加热器
流体电磁阀 　　应用范围：适用于各种机床的加工测量，大型机床如龙门铣床、落地镗床、镗床、立车、车床等，可根据客户需要生产特殊型号规格球栅尺与其他仪器设备、特殊机械设备相配套。　　球栅数显表特点：D3000系列球栅表配合球栅尺传感器系统使用，能够对加工位移进行精确的测量分析并直观显示，提高机械加工的效率及产品精度品质采用合金外壳，不仅能有效的抗电磁干扰，而且不怕强烈的撞击，使数显表坚固耐用。　　故障检修方法　　开启电源不显示　　1、检查电源是否松动及保险丝是否损坏。　　2、检查数显表供电电压是否正常AC90V-240V。　　3、是否进入数显表功能健，退出功能健。　　4、检查地线是否正确接好地线。　　开启电源，机床开动时，显示屏上的数字没随机床走动1、检查电源是否正常。　　2、检查球栅传感器连接线是否松动情况(半连接)。　　3、检查球栅连接线是否有损坏情况。　　开记电源，机床开动时，显示屏上的一方轴向不走动，另一轴正常1、检查损坏一轴数显表后面的插头是否松动，并检查这一轴球栅读数头到数显表的线是否正常。　　2、把球栅尺的插头调换到另一轴，开动机床检查是否正常，如正常显示，数显表损坏需和德普公司联系维修。　　3、把球栅尺的插头调换到另一轴，开动机床检查是否正常，如不正常显示，球栅读数头损坏，需与德普联系更换维修。　　显示屏能够运作，但显示不稳定，尾端数字不断闪动，并出现显示12.7mm或其陪数1、检查是否接地是否完好,是否松动。无论数显表还是机床都必须有良好的接地。　　2、检查电源是否稳定，更换供电电源连接地方。　　3、检查机床是否有漏电情况。　　显示屏出现出现NOSIG或SIGFAIL字样1、注意：检查维修都需要关闭数显表的电源，接插好球栅传感器接头后再打开数显表电源。　　2、表示数显表收不到传感器传来的信号。　　3、检查数显表与球栅尺连接线，接插口是否连接正常完好。　　4、数据线连接正常，检查数显表，若只有一个方轴出现以上信息，把完好的一轴插头插到出现字母座标上，还是有同样的信息出现，数显表损坏。　　5、把完好的一轴插头插到出现字母座标上，字母消失，原坐标球栅传感尺损坏，需与德普公司及办事处联系维修。　　数显表操作按健失灵严重的不合理按键程序，请将数显表关后重开。　　安装机床上的球栅数显不准确1、检查球栅数显固定是否有螺丝松动，弹簧支加是否损坏。　　2、机床的导轨间隙太大,请将机床调校。机床导轨是否直线运动和球栅数显精度有很大关系。　　3、数显表误差补偿不正确地设置。电子产品可靠性与环境试验
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＰＲＯＤＵＣＴＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＴＥＳＴＩＮＧ可靠性物理与失效分析技术Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．３Ｊｕｎ．，２００７
２００７年６月第２５卷第３期
塑料球栅阵列封装的热应力模拟★
沈晓燕，杨衡静，池雷
（南通大学电子信息学院，江苏南通２２６００７）
摘要：电子封装使用多种性能各异的材料，这些材料的热膨胀系数各不相同。把其组合成一个整体后，当
温度变化时，在不同的材料界面会产生压缩或拉伸应力。建立了完全焊点阵列形式的模型，采用局部温度加载
方式，对塑料球栅阵列封装的热应力进行了数值模拟。
关键词：塑料球栅阵列；封装；热应力；有限元分析
中图分类号：ＴＮ３０５．９４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４６８（２００７）０３－０００１－０３
ＴｈｅｒｍａｌＳｔｒｅｓｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｆｏｒＰｌａｓｔｉｃＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙＰａｃｋａｇｅ
ＳＨＥＮＸｉａｏ－ｙａｎ，ＹＡＮＧＨｅｎｇ－ｊｉｎｇ，ＣＨＩＬｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ２２６００７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｒｍａｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎｅｌｅｃ－
ｔｒｏｎｉｃｐａｃｋａｇｉｎｇ．Ｗｈｅｎｔｈｅｓｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅａｓｓｅｍｂｌｅｄｉｎｔｏａｕｎｉｔｙ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓｔｒａｉｎ
ｓｔｒｅｓｓｅｓｗｏｕｌｄｂｅｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓｕｎｄｅｒｃｈａｎｇｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ
ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｕｌｌ－ｍａｔｒｉｘＰＢＧＡｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｓ，ｂａｓｅｄｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ
ｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈａｌｏｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｏａｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＢＧＡ；ｐａｃｋａｇｉｎｇ；ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
随着技术的发展，对集成电路封装的要求更加热－结构数值模拟法［１］，对其热变形、热应力以及焊点的可靠性进行了分析。
严格，Ｉ／Ｏ引脚数急剧增加，功耗也随之增大。由于
塑料球栅阵列（ＰＢＧＡ：ＰｌａｓｔｉｃＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）的
封装引线具有间距大、长度短的优点，消除了精细
间距器件中因引线引发的共面度和翘曲的问题，因
此，正成为ＩＣ封装的主流技术。实践证明：热作用
是芯片封装组件失效破坏的主要因素。针对典型的２ＰＢＧＡ封装模型的建立２．１ＰＢＧＡ封装几何模型的建立为了缩短分析时间，增加分析效率，我们在建立模型时作了以下简化处理：
ＰＢＧＡ封装体，我们运用有限元分析软件，采用了１）忽略印刷铜线等部件对结果的影响；２）不考虑制造过程中产生的残余应力及应变；★基金项目：南通大学自然科学基金项目（０６Ｚ０３７）资助
收稿日期：２００７－０３－２４作者简介：沈晓燕（１９６９－），女，江苏海门人，南通大学电子信息学院讲师，东南大学博士研究生，研究方向为传感器信号处理。ＤＩＡＮＺＩＣＨＡＮＰＩＮＫＥＫＡＯＸＩＮＧＹＵＨＵＡＮＪＩＮＧＳＨＩＹＡＮ１
电子产品可靠性与环境试验２００７年
３）假设材料间为理想连接；
４）假定温度变化时，结构整体温度皆相同。ＰＢＧＡ器件为１６×１６个焊点的封装体，外部采
用环氧树脂材料封装，焊球直径为０．７６ｍｍ，使用
２．３网格划分
网格划分需设置划分密度，如果密度过于粗糙，结果可能就会包含严重的错误；过于细致，则将花费过多的计算时间，浪费计算机资源，甚至导致不能运行，因此，在生成模型前，应考虑网格密度问题。考虑到封装体结构对称性和简化计算，取
Ｓｎ６３／Ｐｂ３７的共晶焊料
，按表１所示的尺寸参数
建立如图１所示的二维模型。
表１模型尺寸参数
尺寸／ｍｍ
１／２作为研究对象，采用手动加自由网格的方法，
对芯片、粘结层和基板进行网格细化，如图２所
示，以提高计算精度。
塑料材料硅片粘结层ＢＴ基板Ｓｎ６３／Ｐｂ３７ＦＲ－４板
９"９"１．２１"０．３５．１"５．５．１"５．１"０．０７５１１．４３"１１．４３"０．４直径０．７６节距１．２７５"０．８１３．．５"１３．
图２网格划分后的模型
３ＰＢＧＡ封装焊点的热应力模拟
ＰＢＧＡ封装件工作时，芯片的上表面集中了刻
蚀加工的晶体管，通电后升温，成为整个封装体的热源，芯片通过底座以及上面接触的环氧树脂外壳
图１ＰＢＧＡ的二维模型
散热而使得整个封装件温度升高
。从ＰＢＧＡ的
２．２材料属性设置
生成节点和单元网格前，必须定义合适的单元属性。材料属性如表２所示，通过指向表中合适的项目为模型的不同部分分配单元属性。
表２ＰＢＧＡ封装中各种材料参数
工作过程考虑，元件各部分温度的分布应该是不均一的。所以在ＰＢＧＡ模拟分析时采用了二维８节点热单元ＰＬＡＮＥ７７，把芯片的上表面作为整个封装体的局部热源，建立非均匀温度场后再进行热应力分析。在非均匀温度场模拟中，考虑了强迫散热条
件，选择第三类传热学边界条件，即在模型外表面施加
比热／密度／
Ｊ?ｋｇ－１?!－１）（ｋｇ?ｍ－３）（１６６０２３３０
１６７２７１２
热传导系数／热膨胀系数／弹性模量／
（Ｗ?ｍ－１?!－１）（１０－６?!－１）ＧＰａ
１３．８２．８
１４．２１１３１
２５!：１５３７７!：１１９１２７!：９８．９
泊松比０．３０．３
对流系数（１５Ｗ／ｍ２?℃）。芯片工作温度取正常工作状态下电路芯片上表面中心的温度８０℃，室温设为２０
塑封材料２．１硅片
℃。热分析结果如图３所
４５１６２５．１１６
１．４０５１８．６２
０．１８０．１８
１２５０１６６０８４６０９９２０
１０５０１６７２９５７３６９
环氧树脂０．１８８
粘结剂ＢＴ基板
示，芯片附近区域的温度都很高，接近于硅片表面的温度。原因有二：１）材料特性，环氧树脂粘结剂的导热系数非常小，仅为０．１８８Ｗ／
Ｓｎ６３／Ｐｂ３７５０
焊料ＦＲ－４板
３９２５!：２２．
４３７５!：１７．３１０．
１２７!：１２．２３１７．２
ｍ２?℃，而且基板的导热系
ＤＩＡＮＺＩＣＨＡＮＰＩＮＫＥＫＡＯＸＩＮＧＹＵＨＵＡＮＪＩＮＧＳＨＩＹＡＮ
第３期沈晓燕等：塑料球栅阵列封装的热应力模拟
数也只是１４．５Ｗ／ｍ２?℃，外壳的环氧树脂层容易阻碍芯片散热；２）模型尺寸，Ｙ方向模型尺寸小，热量传递容易均匀化，Ｘ方向模型尺寸大，在热量传递过程中容易产生温度梯度。两者的综合作用，使得高温区域集中在底座和芯片附近，封装体内外温差大。因此，在进行模型优化时，从散热的角度考虑，应该选择导热系数值较大的树脂材料，尤其是对发热功率大的芯片。
本文采用间接法求热应力，在热－结构顺序耦合分析中，二维结构分析模型采用了８节点平面应力单元，将封装体对称加载，求解时把热分析所获得的温度数据作为热载荷读入，得到如图４所示的焊球热应力分布。可以看出表面组装件是由热膨胀
（ｃ）Ｚ方向图４热应力分布
系数（ＣＴＥ）相差很大的材料组成的，如金属、环氧树脂。在封装和使用过程中，表面组装件受到交变温度载荷、散热功率以及强迫散热等因素的作用，产生热应力和热应变。封装件各层接触面都存在较大的热应力差异，特别是各层接触的边角处，芯片和粘结层以及芯片和外壳之间尤为明显。ＣＴＥ失配以及低温时材料相对较高的弹性模量，使复合ＳｎＰｂ焊点中的应力水平较高，尤其是在焊料与基板间，在热循环中容易发生热疲劳失效而产生裂纹，裂纹起源于焊料与基板之间的钎焊圆角边缘处。
图３温度场分布
本文在模拟时，完善了ＰＢＧＡ封装件的整体模
型，采用了二级封装模式，建立了可进行热－结构耦合分析的简化模型。在热载中直接以散热功率作为载荷并考虑散热中强迫散热的影响，将热传导分析和结构分析相结合，得到更加符合实际的温度和应力分布。将热循环与散热功率所引起的热生成综合考虑后加载，就可以得到对封装体更有价值的应力应变分析结果。由于芯片一般为脆性材料，热应力过大会使硅片破裂，因此，应使硅片本身所受应
（ａ）Ｘ方向
力最小，这样才可以提高器件的功率循环寿命，进而提高可靠性。参考文献：
［１］张朝晖，范群波．ＡＮＳＹＳ８．０热分析教程与实例解析
［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００５．
［２］许杨剑．球栅阵列尺寸封装的有限元法模拟及焊点的寿
命预测分析［Ｄ］．杭州：浙江工业大学，２００４．
［３］ＪＡＭＩＬＷＡＫＩＬ，ＰＡＵＬＳＨｏ．ＮｏｎｕｎｉｆｏｒｍＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ
ＳｔｒａｉｎＦｉｅｌｄｓｉｎａＰｏｗｅｒｅｄＰａｃｋａｇｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄＰａｃｋａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２０００，２３：
（ｂ）Ｙ方向
ＤＩＡＮＺＩＣＨＡＮＰＩＮＫＥＫＡＯＸＩＮＧＹＵＨＵＡＮＪＩＮＧＳＨＩＹＡＮ
５２１－５２７．
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