非接觸式激光全息激振的窄帶隨機(jī)振動疲勞試驗及焊點失效分析

非接觸式激光全息激振的窄帶隨機(jī)振動疲勞試驗及焊點失效分析

近年來，由于bga的巨大體積，已成為一種主要的密封形式。先前研究人員主要關(guān)注其在熱循環(huán)、熱沖擊下的可靠性,但是現(xiàn)代電子設(shè)備服役期間除了熱應(yīng)力,還會遭受許多不同形式的振動與加速度水平,比如應(yīng)用在軍事或汽車上的微電子產(chǎn)品在使用過程中往往處于嚴(yán)重的振動環(huán)境。而當(dāng)電子設(shè)備處于嚴(yán)重的振動沖擊環(huán)境(如汽車、航空航天及軍用設(shè)備等),電子設(shè)備的可靠性將受到很大的影響。美國空軍AVIP(AvionicsIntegrityProgram)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明20%電子產(chǎn)品失效是源于振動沖擊,所以研究振動沖擊環(huán)境因素對BGA焊點可靠性是十分必要的。國內(nèi)外已有學(xué)者在這方面做了一些研究。Yang等進(jìn)行了在固有頻率附近的窄帶掃頻正弦激勵,Chen等與Che等分別對PBGA(PlasticBGA)焊點和倒裝(flipchip)焊點進(jìn)行正弦振動可靠性試驗,并利用線性累積損傷方法來研究振動疲勞壽命;Liu等研究了不同應(yīng)變水平和振動頻率下BGA封裝焊點的振動可靠性并進(jìn)行壽命預(yù)測;王紅芳和郭強(qiáng)等研究了PBGA與FCBGA(flipchipBGA)的窄帶隨機(jī)振動疲勞;以上研究均是針對錫鉛焊點的振動可靠性的。隨著電子產(chǎn)品無鉛化的普及,研究人員開始關(guān)注無鉛焊點的振動可靠性,比如Kim等采用扭轉(zhuǎn)疲勞機(jī)研究了錫鉛焊點與無鉛焊點振動疲勞可靠性;Zhou等比較了簡諧激勵下錫鉛焊與無鉛焊振動可靠性,而陳子夏等研究了正弦定頻激勵錫鉛焊與無鉛焊振動疲勞壽命。另外,陸裕東等從微觀角度研究了隨機(jī)振動試驗中P元素的分布與含量對無鉛焊點失效的影響,雖然對無鉛焊點振動可靠性的研究越來越多,但是絕大部分學(xué)者都是考慮簡諧激勵下BGA無鉛焊點的振動可靠性,而實際上,處在振動環(huán)境中的大多數(shù)電子設(shè)備都是遭受隨機(jī)激勵而不是簡諧激勵。本文對BGA無鉛焊點進(jìn)行了三種隨機(jī)振動條件下的可靠性試驗研究。首先基于非接觸式電視激光全息激振技術(shù)進(jìn)行模態(tài)試驗,了解試件的基頻;然后以其基頻為中心對試件進(jìn)行窄帶隨機(jī)振動疲勞試驗,研究了三種不同加速度功率譜密度(PSD)幅值的BGA無鉛焊點振動可靠性;最后進(jìn)行金相試驗探究BGA無鉛焊點的失效機(jī)理。1mm封裝工藝試驗試件為圓形電路板組件(PCBA),其中心對稱地貼裝8個BGA(11mm×13mm)封裝,如圖1所示。板上8個BGA依次編號為U1,U2,……,U8,PCB上焊盤類型為非焊接屏蔽界定(NSMD)且有微孔(VIP),BGA上焊盤類型為焊點屏蔽界定(SMD),試件貼裝后每個BGA封裝內(nèi)部最外圈四個角上的焊點均形成菊花鏈。2vibromak激光測振系統(tǒng)試驗窄帶隨機(jī)振動試驗是以試件第一階頻率為中心頻率進(jìn)行的,所以在做窄帶隨機(jī)振動試驗前必須進(jìn)行模態(tài)試驗了解試件的動態(tài)特性。本文采用非接觸式的電視激光全息激振技術(shù),沒有附加質(zhì)量的影響,大大提高測量精度。模態(tài)試驗系統(tǒng)框圖如圖2所示,通過工作站上的軟件控制激勵脈沖的頻率和幅值,設(shè)定的頻率和幅值通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(ADC)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號,然后經(jīng)過2712功率放大器放大后驅(qū)動B&K激振器(激振力峰值是1kg力)。同時工作站也控制VibroMap1000激光測振系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集等功能,采集到的圖像經(jīng)過模擬視頻濾波器進(jìn)行濾波,并在顯示器上顯示。VibroMap1000激光激振系統(tǒng)的鏡頭距離試件的距離是1m。在試件未貼芯片的一面噴上一薄層白色的反光粉,試驗過程中激振的位置如圖2所示,激振點靠近固定邊界,是試件上剛性相對較好的地方。由于前兩階模態(tài)振型尤為重要,所以試驗中主要測試了前兩階的固有頻率,結(jié)果分別為200Hz和439Hz。3隨機(jī)振動試驗了解試件的動態(tài)特性后進(jìn)行隨機(jī)振動試驗,激勵載荷以試件的第一階固有頻率為中心頻率,帶寬為20Hz,輸入加速度功率譜密度幅值為以恒定值[如60(m/s2)2/Hz]的窄帶隨機(jī)基礎(chǔ)激勵,并利用LMS軟件對振動臺進(jìn)行反饋控制,隨機(jī)振動試驗框圖如圖3。試件上BGA封裝內(nèi)部最外圈四個角上的焊點形成一個菊花鏈,通過外接電阻和一個直流電源構(gòu)成一個完整的回路,然后利用Sony數(shù)據(jù)采集儀實時監(jiān)測外接電阻兩端的電壓值,根據(jù)電壓值的變化情況來判斷焊點是否失效,當(dāng)電壓值變小或有波動時,表示焊點有裂紋產(chǎn)生,電壓值變?yōu)榱銊t表示焊點徹底斷裂,隨機(jī)振動試驗停止。試驗過程中采用非接觸式方法測試試件的振動響應(yīng),即在振動試驗的同時用Keyence公司型號為LKG80的位移激光傳感器測量試件中心的位移響應(yīng)。4隨機(jī)振動加速度功率譜密度幅值對焊點疲勞失效位置的影響文中分別進(jìn)行了三組不同加速度功率譜密度幅值[60(m/s2)2/Hz、80(m/s2)2/Hz和120(m/s2)2/Hz]的隨機(jī)振動疲勞試驗。在這三種隨機(jī)振動情形下,試件上全部BGA封裝失效時間分別為42min、27min和18min,可見隨著加速度功率譜密度幅值增加焊點失效速度加快。接著通過金相試驗進(jìn)行焊點失效分析,三種情形下BGA無鉛焊點失效后的典型金相圖如圖4～6所示(由于金相打磨的程度不一樣,致使焊點剖面形態(tài)不相同,但不影響裂紋位置形態(tài)的觀察)。由失效焊點的金相剖面形貌圖可以發(fā)現(xiàn)三種隨機(jī)振動情況下焊點疲勞失效位置和失效形式不盡相同。當(dāng)隨機(jī)振動加速度功率譜密度幅值為60(m/s2)2/Hz的時候,焊點失效金相圖見圖4。由這兩個失效焊點的金相圖均能發(fā)現(xiàn)靠近PCB一側(cè)的裂紋較粗并且貫穿整個焊球,另外在焊球頸部也有細(xì)裂紋,可見裂紋首先產(chǎn)生于靠近PCB一側(cè)的焊球體,屬于焊球體疲勞斷裂失效。當(dāng)加速度功率譜密度幅值增加到80(m/s2)2/Hz后,焊點失效部位發(fā)生了變化,主要裂紋位于焊球頸部,貫穿整個焊球,而且發(fā)現(xiàn)在封裝一側(cè)的Ni/IMC界面處也出現(xiàn)了部分裂紋[如圖5(a)]。當(dāng)加速度功率譜密度幅值繼續(xù)增大到120(m/s2)2/Hz后,焊點失效位置與前面兩種情形不相同(如圖6)。從圖中可知焊點失效部位是靠近封裝一側(cè)的Ni/IMC界面處,從裂紋斷口看屬于脆性斷裂。因此由試驗結(jié)果可知:隨機(jī)振動強(qiáng)度不一樣,焊點失效機(jī)理不盡相同。隨著隨機(jī)振動的加速度功率譜密度幅值增加,即隨機(jī)振動強(qiáng)度加大,BGA無鉛焊點的失效加速,且失效位置從靠近PCB一側(cè)的焊球體逐漸轉(zhuǎn)移到靠近封裝一側(cè)的Ni/IMC界面處,失效形式由疲勞斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。尤其是圖6所示的BGA無鉛焊點隨機(jī)振動失效形式與跌落碰撞下BGA無鉛焊點的脆性斷裂失效形式驚人相似。另外,從激光位移傳感器測試得到試件中心的位移響應(yīng)進(jìn)行頻域分析,可以獲得中心位移的均方根值(RMS)與頻率的關(guān)系,見圖7。圖中60、80、120分別代表上面三組不同加速度功率譜密度幅值[60(m/s2)2/Hz、80(m/s2)2/Hz和120(m/s2)2/Hz],從圖中可以看出隨著加速度功率譜密度幅值的增加,位移的均方根值增大,也就是振動過程中試件的撓度變大,焊點承受的拉應(yīng)力增加,導(dǎo)致失效也就越快。5無鉛焊點失效加速文中進(jìn)行了三種加速度功率譜密度幅值下BGA無鉛焊點的窄帶隨機(jī)振動疲勞試驗,并對失效焊點的進(jìn)行金相剖面形貌分析。不論是試驗?zāi)B(tài)分析還是窄帶隨機(jī)振動疲勞試驗,均是非接觸式的,沒有附加質(zhì)量的影響。試驗結(jié)果表明無鉛焊點失效位置隨著窄帶隨機(jī)振動加速度功率譜密度幅值增加[60(m/s2)2/Hz->80(m/s2)2/Hz->