PCBA焊點可靠性預(yù)測

1、pcbA旱點可靠性預(yù)測一、預(yù)測焊點的可靠性旱接點的疲勞壽命預(yù)測對電子封裝的可靠性評估是關(guān)鍵的。 在微 電子工業(yè)中預(yù)測失效循環(huán)次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法是基于使用通過試驗得出 的經(jīng)驗關(guān)系式。如果使用一個分析方法，通過都是使用諸如 coffin-Manson(c-M) 這樣的經(jīng)驗曲線。通常，使用接合元件之間的 CTE差別，計算出焊接點內(nèi)最大的預(yù)測彈性與塑性應(yīng)力。大多數(shù)時間，使用塑性應(yīng)變值，是用C-M曲線來預(yù)測焊接點的疲 勞壽命。通過研究者已經(jīng)顯示，這個方法對BGA寸裝所產(chǎn)生的結(jié)果是 保守的。例如，Zhao et al.已經(jīng)從冶金學(xué)上證明，C-M方法不能用 于微結(jié)構(gòu)進化的材料，如錫鉛焊錫合金1,2 o其理由是C

2、-M方法沒有考 慮在疲勞期間材料特性的任何變化。 C-M方法假設(shè)，在每一個熱循環(huán) 中所經(jīng)歷的塑性應(yīng)變在整個熱循環(huán)過程中是保持不變的。 事實上， 焊 接點所經(jīng)歷的實際塑性應(yīng)變在每個循環(huán)都由于微結(jié)構(gòu)變粗糙而減少。 因此，C-M方法大大地低估了焊接點的疲勞壽命。在本研究中使用一個損傷進化函數(shù)來量化焊接點的退化。 損傷進 化函數(shù)是基于熱力學(xué)的第二定律，并使用熵作為損傷度量。 Basaran 和Yan已經(jīng)證明，作為一個系統(tǒng)失調(diào)度量的熵可用作固體力學(xué)的損傷 度量標(biāo)準(zhǔn) 3。損傷進化結(jié)合到一個統(tǒng)一的粘塑結(jié)構(gòu)模型中 ( 在下面描 述) ，用來描述在熱機負載下焊接點的循環(huán)疲勞特性。二、構(gòu)造模型試驗結(jié)果顯示， 相對

3、于懦變或粘塑應(yīng)變， 塑性應(yīng)變對低循環(huán)疲勞 壽命的影響是可能忽略的。 依賴時間的懦變形支配著焊接點的低循環(huán) 疲勞壽命 1,2 。這是因為共晶與近共晶焊錫合金一般預(yù)計由于其低熔點 (183 C)在高同系溫度下工作。在高同系溫度下，材料經(jīng)歷很大的懦 性變形。因此一個熱粘塑結(jié)構(gòu)模型對于建立焊接性能模型是必要的。為了建立近共晶焊錫的第一、 第二和第三懦變階段模型， 需要懦 變率函數(shù)。在高同系溫度下的大多數(shù)金屬與合金的穩(wěn)定狀態(tài)塑性變形 的動力學(xué)可用 Dorn 懦變方程來描述 4。 Kashyap 與 Murty 已經(jīng)從實驗 上證明，顆粒大小可以重大影響錫鉛焊錫合金的懦變特性 5。基于他 們的實驗室試驗結(jié)果

4、，他們提出了一個懦變定律，修正 Dorn 方程。 應(yīng)變率描述為溫度、擴散率和諸如Young的模數(shù)與顆粒大小等材料參 數(shù)的函數(shù)?；钚阅芰侩S溫度而變化，基于已發(fā)布的懦變數(shù)據(jù)而決定。 類似地，顆粒大小與應(yīng)變率成指數(shù)關(guān)系，試驗上確定的顆粒指數(shù)。為了模擬材料的循環(huán)疲勞特性， 需要一個逐步退化的模型。 損傷 機制為我們提供一個開發(fā)損傷進化模型的基本框架。 將一個內(nèi)部損傷 變量引入應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中。 隨著焊錫退化的增加， 損傷變量的值由零 上升到一，即代表完全失效。Bassran和Yan已經(jīng)證明，熵是最準(zhǔn)確 和最簡單的焊點損傷度量標(biāo)準(zhǔn) 3。該熵可以描述為失調(diào)參數(shù)。失調(diào)參 數(shù)的變化產(chǎn)生焊接點的退化。 有關(guān)失效機

5、制模型的更詳細情況可以查 閱參考資料 3,6 。使用前面簡要敘述的基于構(gòu)造模型的損傷機制， 消除了需要估算 失效循環(huán)數(shù)的兩步過程， 即進行失效分析的傳統(tǒng)方法。 有限單元分析 通常計算一個溫度循環(huán)的塑性應(yīng)變，然后使用C-M曲線預(yù)測該塑性應(yīng) 變值的疲勞壽命。上面提出的模型直接產(chǎn)生每個焊接點的疲勞壽命， 以及提供對發(fā)生在焊點內(nèi)的退化過程的視覺顯示。 有限單元模擬與實驗室試驗通過基于損傷機制的模型進行了對簡單循環(huán)剪切試驗的幾個數(shù)字模擬，并比較Pb40/Sn60焊接點的疲勞試驗結(jié)果。Solomon在對稱 位移控制的條件下，以不同的塑性應(yīng)變范圍，進行了對Pb40/Sn60焊 接點的循環(huán)簡單剪切試驗 9。作

6、者報告了對每一個塑性應(yīng)變范圍的失 效循環(huán)次數(shù)，將失效定義為在最終應(yīng)力下 90%的負載下降。圖一顯示 Solomon的試驗數(shù)據(jù)與有限單元模擬之間的失效循環(huán)次數(shù)的比較。也對經(jīng)受熱循環(huán)的一個實際BGA寸裝的Pb37/Sn63焊接點進行了 計算機模擬。試驗的BGA寸裝橫截面如圖二所示。FR-4印刷電路板和聚合材料的連接器層通過Pb37/Sn63焊接點連接。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，模擬只畫出封裝的一半和取網(wǎng)格fd-Uuc卩血訶 m砂川駅Hfu葉曲“grC-rjin conEroi zt te-nfe-rjtune- *5)口遙時nEwxlt 2|一圖一、疲勞壽命比較(Solomon的試驗與FEM)圖二、BGA

7、封裝的橫截面*41/怡j J認創(chuàng)line7 J宅話*瓦喜圖三、一個周期的熱負載曲線為了證實該模型和對有限單元程序的實施，進行了試驗。一個實際的BGA封裝在SuperAGRE的溫度老化室進行熱循環(huán)，塑性應(yīng)變場 通過高靈敏度的Moir 干涉測量方法測量。使用有限單元程序，和已 實施的構(gòu)造模型，對相同的熱循環(huán)試驗進行了模擬和比較結(jié)果。圖三顯示該BGA寸裝經(jīng)受的熱負載曲線。使用 SuperAGRE的溫度老化室進行熱循環(huán)。試驗樣品定期地取出，使用Moir 干涉測量系統(tǒng)測量無彈性應(yīng)變的累積。該試驗的詳情在Zhao et al中給出1,2。在試驗與有限單元分析(FEA)模擬期間，封裝固定在中間FR-4 PC

8、B層 的兩端。在有限單元模擬中，F(xiàn)R-4 PCB和聚合層被認為是線性彈性 的，焊接點隨著損傷的進化被認為是非線性彈性 -粘塑性的。豊切舅鳥豐甯誥 r.l.出2r恵汁s:弒比 m TM: K? 1 . JB M圖四、在2與4個熱循環(huán)之后的剪切應(yīng)力分布（使用了損傷模型）-2.75k 02，-,-Z01 w-03:-1.4k-l.51a-02 t-1，口02 卡.伽-倔* “ : M QCQiM1 g W -R J*r-a?士 E51 - hl. Ill 阿遽i) e；. ii -：- H： 憐質(zhì)fhMi mixiRjfar cETec t ?5i-ia 汽*敘 -1 Xi- rxi1 小 4-4*

9、 IgH PH J F/P-Sf /訕處 * t-b 訶 -? tci. rD 甘加毅 - ftimr乜叩厲:.:-mtT.Ii圖五、在6與8個熱循環(huán)之后的剪切應(yīng)力分布（使用了損傷模型）5htar strain after 10u圖六、在10個熱循環(huán)之后的剪切應(yīng)力分布（使用了損傷模型）由于在FR-4 PCB與聚合層之間的溫度膨脹系數(shù)（CTE）的不匹配, 焊接點內(nèi)的熱誘發(fā)的剪切應(yīng)力是周期性的， 造成焊接點的熱機械疲勞。 試驗結(jié)果顯示，剪切應(yīng)力支配在焊點中懦變疲勞。圖四至圖六顯示剪 切應(yīng)力的數(shù)字模擬。事實上，試驗到失效可能要求1,000次以上的循 環(huán)?？墒牵瑢τ谧C實計算機模型的目的，模擬十個循環(huán)已

10、經(jīng)足夠了。 焊點的剪切應(yīng)力的有限單元分析（FEA）結(jié)果與Moir 干涉測量的試驗 數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性。在試驗期間，最高的應(yīng)力總是在焊接點一上觀察到。因此從FEA和Moir 干涉測量方法所得到的該焊點的無彈性應(yīng)力積累在圖七中繪出。應(yīng)該指出的是，在我們的試驗與分析中，觀察 到塑性應(yīng)力的累積從一個循環(huán)到另一個循環(huán)不是線性的。隨著焊錫的粗化，在每個循環(huán)中的塑性應(yīng)力累積減少。在另一方面，使用C-M方法，假設(shè)塑性應(yīng)力累積是線性的。因此，事實上，從實驗室試驗所獲 得的BGA寸裝的疲勞壽命通常是比基于Cofin-Manson的模型所預(yù)測的較長eflJ3lrpu4BnSimyc graut ppil i*i知

11、用.nt it W *d滬圖七、有現(xiàn)單元模擬結(jié)果與Moir e圖九、在十個熱循環(huán)之下最大損傷干涉測量的進化試驗結(jié)果比較（使用了損傷模型）鈕-7.79-X-03 KO9-JI-Q2 -1.2?x-02 +1.56-X-02 41 BOM?Damage distribution10I .34x4)J1- *3.35x02圖八、在十次熱循環(huán)之后損傷的分布 （ 使用了損傷模型 ）在焊點之中損傷的分布模擬如圖八所示。 損傷分布提供設(shè)計優(yōu)化 和可靠性的重要信息， 因為它可用來預(yù)測封裝在哪里何時失效。 圖九 顯示關(guān)鍵焊接點的損傷進化。 損傷進化是在疲勞負載下材料退化的內(nèi) 在反映，而不只是間接的度量，如電氣開路。使用損傷進化函數(shù)，可 以作出精確的疲勞壽命預(yù)測， 并且借助于計算機模擬可以對每個焊接 點預(yù)測材料退化的進度。三、結(jié)論一個具有損傷偶合粘塑結(jié)構(gòu)模型的計算工具已經(jīng)提出， 并通過一 個用戶定義的材料子程序?qū)嵤┰谟邢迒卧浖小?使用計算機模擬， 對新一代封裝的可靠性