（机械电子工程专业论文）热振动复合加载下基于ildsa芯片焊点的寿命研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的日益发展和科学技术的进步 电子工业得到了迅猛的发展 电子 产品已经渗透到诸如消费类电子 汽车电子 武器装备和航空电子等众多的应用领域 但是 电子器件在生产 储存 运输和使用的过程中 不可避免地要受到振动 冲击 温度循环和复合加载等影响 因此 电子产品的可靠性研究显得非常地迫切和必要 本 文采用有限元模拟和实验相结合的方法 对复合加载下芯片组件的可靠性进行了深入的 研究 采用有限元和线性拟合的方法 研究了焊点变形与印刷电路板变形之间的映射关 系 基于这种映射关系可以近似地描述焊点的变形情况 提出了一种改进的线性损伤叠 加法 i m p r o v e dl i n e a rd a m a g es u p e r p o s i t i o n a p p r o a c h i l d s a 并在热 振动复合加载 下 对高密度封装芯片组件的焊点寿命进行研究 结果表明 焊点寿命在同一温度下可 根据振动幅值的大小分为三个区域 在区域i 内 低振幅振动区 焊点寿命受蠕变损伤 的影响较大 在区域i i 内 振动温度耦合区 温度和振动加载的相互影响现象最为明显 在区域 内 高振幅振动区 焊点受疲劳损伤的影响较大 该方法很好地解释了有关文 献中出现的在低振幅振动和温度复合加载下计算和实验不吻合的现象 为了研究不同高密度封装器件在热 振动复合加载下的特性 采用对称分布的形式 设计制作了含无铅c s p 芯片 c h i ps c a l ep a c k a g e 和含铅b g a 芯片 b a l lg r i da r r a y 的 样品 进行了温度循环和振动复合加载下的疲劳寿命实验 实验结果相对于理论计算结 果的误差为1 7 2 7 实验结果证实了本文中提出的寿命计算方法具有一定的正确性和 理论参考价值 同时也间接的证明了所构建的焊点变形与印刷电路板变形之间的映射关 系的正确性 实验结果和理论结果具有一定的误差 其主要原因是 理论计算忽略了加 载的频率和波形的因素对疲劳寿命的影响 理论计算在计算高温非比例多轴加载时忽略 了加载顺序和附加硬化的影响 m i n e r 线性损伤叠加法计算结果受到较高应变量的影响 对如何表征温度循环加载和振动加载之间的相互影响进行了有益的和探索性的研 究工作 可以推广到更广泛意义上的复合加载下芯片组件的可靠性研究 提出的理论建 模方法以及所获得的结论 对设计高可靠性的高密度封装芯片组件具有重要的参考价值 关键词 i l d s a 热一振动复合加载 有限元法 高密度封装 寿命预测 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dt e c h n o l o g y t h ee l e c t r o n i c si n d u s t r yh a s b e e ng r e a t l yd e v e l o p e d e l e c t r o n i cp r o d u c t sa r ea p p l i e di nm a n yf i e l d s s u c h 私c o n s u m e r e l e c t r o n i c s a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s w e a p o n r ya n da v i o n i cd e v i c e h o w e v e r i nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r i n g s t o r i n g d e l i v e r i n ga n dw o r k i n go fe l e c t r o nd e v i c e t h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t s s u c ha sv i b r a t i o n s h o c k t h e r m a lc y c l i n ga n dc o m b i n e dl o a d i n gi si n e v i t a b l e t h e r e f o r e t h e r e s e a r c ho nt h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o nd e v i c ei su r g e n ta n dn e c e s s a r y f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dl i n e a rc u r v ef i tm e t h o da r ea p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h em a p p i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e f o r m a t i o no fs o l d e rj o i n ta n dp c b t h er e a ld e f o r m a t i o no fs o l d e r j o i n tc a l lb eo b t a i n e db a s e do nt h em a p p i n gr e l a t i o n s h i p t h ei l d s a i m p r o v e dl i n e a r d a m a g es u p e r p o s i t i o na p p r o a c h i sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt os t u d yt h el i f eo fh i g h d e n s i t yp a c k a g i n gu n d e rt h e r m a la n dv i b r a t i o nl o a d i n gc o n d i t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e l i f eo fs o l d e rj o i n t sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e er e g i o n sa c c o r d i n gt ot h ev i b r a t i o na m p l i t u d ea t t h es a m et e m p e r a t u r e t h el i f eo fs o l d e rj o i n t si nr e g i o n i 1 0 wv i b r a t i o nr e g i o n i sa f f e c t e d b yc r e e pd a m a g e t h a ti nr e g i o ni i c o u p l i n gr e g i o n i sg r e a t l ya f f e c t e db yt h ec o m b i n e d l o a d i n g t h a ti nr e g i o nh i h i g hr e g i o n i sa f f e c t e db yt h ef a t i g u ed a m a g e t h i sc o n c l u s i o nc a n b eu s e dt oe x p l a i nt h ed i s a g r e e m e n t sb e t w e e nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt e s tr e s u l tu n d e r c o m b i n e dt h e r m a la n dl o wv i b r a t i o nl o a d i n gc o n d i t i o n ag r o u po fc h i p sa s s e m b l yc o n t a i n e dc s pa n db g aw e r ed e s i g n e da n dp r o d u c e du s i n g s y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o no fc h i p st os t u d yt h e f e a t u r e so fh i 曲d e n s i t yp a c k a g i n gu n d e r t h e r m a la n dv i b r a t i o nc o m b i n e dl o a d i n gc o n d i t i o n t h ee r r o ri s17 2 7 b e t w e e nt h er e s u l to f t e s ta n dt h e o r yc a l c u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea p p r o a c hp r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o ni sr e a s o n a b l ea n di tc o u l dh a v es o m ei m p o r t a n tv a l u eo nd e s i g n i n gh i 曲 d e n s i t yi cp a c k a g i n g b e s i d e s i ta l s oi n d i r e c t l ys h o w st h a tt h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e n s o l d e rj o i n td e f o r m a t i o na n dp r i n t e dc i r c u i tb o a r dd e f o r m a t i o ni sc o r r e c t t h er e a s o no ft h e e r r o rc a l lb es u m m a r i z e da l sf o l l o w i n g f i r s t l y t h ei n f l u e n c eo ft h el o a d i n gw a v e f o r ma n dt h e l o a d i n gf r e q u e n c yi sn e g l e c t e d s e c o n d l y t h ei n f l u e n c eo fs u p e r i m p o s e dh a r d e n e da n d l o a d i n gs e q u e n c ei sn e g l e c t t h i r d l y t h em i n e rl i n e a rd a m a g es u p e r p o s i t i o nm e t h o di s i m p a c t e dg r e a t l yb yt h el a r g es t r a i n m 热一振动复合加载下基于ll d s a 的芯片焊点寿命研究 t h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h ei n t e r a c t i o no ft h el o a dw a si n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n w h i c hc o u l db ep r o m o t e dt oab r o a d e rs e n s eo fc o m b i n e dl o a d i n gc o n d i t i o n t h ea p p r o a c h a n dr e s u l tp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc o u l dh a v ei m p o r t a n tv a l u eo i ld e s i g n i n gh i g hd e n s i t y p a c k a g i n go fh i g hr e l i a b i l i t y k e y w o r d s i l d s a t h e r m a l v i b r a t i o nc o m b i n e dl o a d i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o d h i g h d e n s i t yo a c k a g m g 1 i r e p r e g c t l o n l 一 一 w 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景与来源 第一章绪论帚一早三百比 随着电子工业的迅猛发展 电子产品已经渗透到诸如消费类电子 汽车电子 武器 装备和航空电子等众多的应用领域 同时电子技术的发展一直遵循着摩尔定律即每块芯 片上的集成度以每1 8 个月翻一番的速度增加 这都要求电子产品尺寸更小 功能更强 以及使用性能更可靠 因此对微电子封装提出了比较高的要求 即要求具有机械支撑 电源分配 信号传输 应力缓和 物理保护 散热 防潮 防腐蚀 防氧化 标准化和 规格化等多种功制1 1 2 0 世纪6 0 年代以来 i b m 公司和贝尔实验室进行了较多的电子器件的疲劳分析研 究 贝尔实验室的h a n t h o n yc h a n 认为 2 电子产品的失效产生于不良的设计 元件问 题及生产过程中 在电子产品的基本构成中 电子元器件 印刷电路板和互联焊点都会 影响到电子产品的使用寿命 互联焊点在整个电子产品中的作用是保证电子电路中的电 气信号的畅通和机械连接的可靠性 焊点的失效可能导致整个电子电路的失效 目前国 内电子产品以通孔插装和表面贴装的混合组装为主 由于封装组件与焊盘问只是通过互 联焊点或引线连接 在振动和温度循环等加载条件下 封装组件与印刷电路板之间的应 力完全由焊点或引线来吸收 因此 在长时间工作情况下互联焊点或引线就比较容易失 效 由i e e e 的统计结果显示 在焊接工艺和设备确定的前提下 温度载荷的作用使得 封装组件的失效占到总失效的6 5 8 0 振动及冲击的作用使得封装组件的失效占总 失效的1 0 在运输 贮存和使用过程中 电子产品不可避免地要受到温度 振动 冲 击和湿气等环境因素的影响 电子产品的可靠性正面临着严峻的考验 电子封装的可靠 性研究显得非常地必要和紧迫 本课题来源于国家自然基金 主要的研究内容为微电子封装加固及其环境技术 课 题按照标准i p c 一9 7 0 1 a t 3 进行了大量的可靠性实验和数值模拟计算工作 为复合加载下 微电子封装的寿命预测提供了理论依据 热一振动复合加载下基于jl d s a 的芯片焊点寿命研究 1 2 微电子技术概述 微电子封装技术是伴随着电子元器件的发展而发展的 1 9 4 7 年美国b e l l 实验室发 明了世界上第一只晶体管 拉开了电子封装工业的序幕 1 9 5 8 年美国德州仪器公司发 明了第一块集成电路 i n t e g r a t e dc i r c u i t i c 二十世纪七十年代半导体产业进入了集成 电路时代 二十世纪八十年代进入了大规模集成电路 l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n l s i 时 代 时至今r 我们已经步入了巨大规模集成电路时代 即单个芯片上可集成数十亿个 元器件 微电子封装技术先后经历了四次重大的技术变革 即 1 十九世纪六七十年代 以双列直插式封装 d u a li n l i n e p i np a c k a g e d i p 技 术为代表的自插式封装技术的出现 标志着微电子技术进入了中小规模集成电路时代 2 二十世纪七十年代中期 以方型扁平式封装技术 p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g e q f p 为代表的表面贴装技术的出现 标志着微电子封装技术进入表面贴装时代 3 二十世纪九十年代初期 以球栅阵列结构 b a l lg r i da r r a y b g a 为代表的 球栅阵列型封装技术的出现 标志着微电子封装技术进入了大规模集成电路时代 4 本世纪初期 以系统级封装 s y s t e mi np a c k a g e s m 为代表的多芯片系统封装 技术的出现 标志着微电子封装技术进入了后表面贴装 s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y s m t 时代 图1 1 描述了微电子封装技术发展的历史和未来的趋势 图1 1 微电子发展的历史和趋势 f i g 1 1t h eh i s t o r ya n dt r e n do ft h em i c r o e l e c t r o n i c s 2 江苏大学硕士学位论文 电子产品向小型化和便携化方向发展的市场需求对微电子封装技术提出了更为严 格和迫切的要求 目前电子封装工业中流行的封装技术有以下几种 裸芯片技术 圆片 级封装技术 微组装技术和无焊内建层技术 4 裸芯片技术是当今最为先进的微电子封装技术 主要的形式有两种 c o b c h i po n b o a r d 和倒装芯片 f l i pc h i p c o b 芯片如图1 2 所示 其优点为价格低廉 节约空间 和工艺成熟等 不足之处是需要另配专用的焊接机和封装机 同时印刷电路板的贴片过 程对环境要求更为严格及器件失效后无法维修等 倒装芯片的结构为输入输出端方向朝 下 输入输出引出端分布于整个芯片表面 倒装芯片在封装密度上己达到顶峰 该技术 可以采用类似表面贴装技术的手段来进行加工 是芯片封装技术最终的发展方向 4 图1 2c o b 芯片 f i g 1 2c h i po nb o a r d 圆片级封装是一种以球栅阵列封装技术为基础 并经过改进和提高的封装形式 圆 片级封装是一种尺寸最小的低成本封装形式 实现了真正意义上的批量生产 使用该技 术的封装器件大多用在诸如手机 p d a 和笔记本电脑等便携式电子设备中 5 1 在微组装技术中 采用微焊接和封装工艺组装的各种微型化片式元器件和半导体集 成电路芯片 以多芯片组件 m u l t i c h i pm o d u l e s m c m 为主要代表 多芯片组件的结 构如图1 3 所示 目前多芯片组件技术已成功地应用在大型通用计算机和超级计算机中 今后将可广泛地应用在工作站 个人计算机 医疗电子设备和汽车电子设备等领域 5 1 图1 3 多芯片组件结构示意图 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo f m u l t i c h i pm o d u l e s 无焊内建层技术旧 b u m pl e s sb u i l d u pl a y e r b b u l 首先由英特尔的装配技术 3 热一振动复合加载下基于il d s a 的芯片焊点寿命研究 发展组 a s s e m b l yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a t d 提出 b b u l 技术结构如图1 4 所 示 该技术把硅片集成到内核中 制造c p u 时只需要单层封装 并将硅片嵌入在封装 体之内 b b u l 无须更多的焊点 硅片直接的嵌入使得内核低于封装表面 使得错误安 装导致损坏的可能性大大降低 b b u l 让硅片更紧密地接触c p u 底部的电容器 这就 增加了能源递送效率 并减小了器件的物理体积 硅片 凸 内篓 一 訇1 4 无焊内建层技术结构示意图 f i g 1 4t h es t r u c t u r eo fb b u l 1 3 芯片组件可靠性国内外研究现状 国内外的学者针对电子器件的可靠性问题进行了大量的研究工作 课题组杨平等 7 对一块包含不同结构和材料参数的塑料焊球阵列封装 p l a s t i cb a l lg r i da r r a y p b g a 组 件样品进行了模态测试 得到不同加固方式下的器件组件的动态特性 并以边中四点作 为加固方式进行了各类型的疲劳实验 对试验样片进行了正弦定频 正弦扫频和随机激 励测试 得到各芯片在不同振动激励下的疲劳特性 提出了基于动态特性和疲劳特性的 布片优化方案 为微电子器件的机械可靠性设计提供了依据 程诗叙等 8 j 基于模态分析 的p c b 布局抗振分析 提出了建立结合抗振设计的电路最优化设计方法 刘芳等 9 通 过非接触式激光全息激振方法对试件进行试验模态分析 并以其第一阶固有频率作为中 心频率 分别进行了三种不同功率谱密度的窄带随机振动疲劳试验 并对失效焊点进行 金相剖面分析 探究了球栅阵列无铅焊点在随机振动载荷下的物理失效机理 m w u 1 0 1 提出了 种快速的方法来评估b g a 芯片组件在振动条件下的疲劳寿命 m w u 认为通 过有限元方法确定在振动环境下印刷电路板的动态响应 可得到芯片组件的临界应力的 位置和应力值 并根据应力值和损伤模型得到组件的寿命 这种方法的优点是计算精度 较高 但缺点是该方法需要花费大量的时间来进行有限元的建模和计算 快速评价方法 是将注意力放在物理失效分析上 建立失效模型 包括局部模型和全局模型 来确定所 感兴趣的组件的临界应力 从而得到组件的寿命 x u e l iq i 掣川研究了不同固定方法对 封装组件振动可靠性的影响 作者通过三维有限元模型来模拟组件的真实工况 通过建 d 江苏大学硕士学位论文 立在不同的加固方法和不同的振动参数下的有限元模型 发现增加印刷电路板的固定点 可以提高其第一阶固有频率 同时减少了组件关键位置的焊点的最大应力 i c 器件应 尽可能的靠近固定点 提供了关于b g a 芯片的位置和最佳安装方法的一些参考意见 香港理工大学的s h i w e ir i c k yl e e 等 1 2 研究了无铅p b g a 组件的可靠性问题 并 综合热循环和振动环境做了大量的实验 r o b e r ts c h w e r z l3 等研究了在含有多空洞条件 下焊点的热寿命问题 发现在温度加载的条件下 焊点的位置和大小是影响热寿命的最 主要的因素 利用参数化的有限元方法来分析在不同空洞条件下的焊点的应力应变分布 情况 结果发现空洞是降低b g a 组件焊点热寿命的主要潜在因素 m w c h e n f l 4 利用 计算流体力学法研究了三维多芯片封装在不同封装结构下的热问题 m u d a s i r a h m a d 1 5 利用实验的方法和有限元模拟仿真的方法研究了无铅焊点在温度循环加载下的可靠性 问题 分析了封装类型 焊点材料 焊点尺寸 基板尺寸 p c b 的厚度以及温度加载 条件对可靠性的影响 上海交通大学的刘芳 1 6 对球栅阵列组件进行了三种不同高度的跌落试验 得出了在 跌落碰撞下焊点失效的机制为靠近封装一侧的金属间化合物界面脆性断裂 其根本的原 因是机械冲击和印刷电路板的往复弯曲 王文等 进行了三组跌落高度下的焊点疲劳 寿命试验 采用比例风险模型分析跌落高度对焊点寿命分布的影响 a b d a u a hh r a m i n i 携 研究了p c b 的冲击对微结构的影响 利用a n s y s 进行建模并分析了p c b p r i n t e dc i r e u i tb o a r d p c b 的高阶振型 微器件在p c b 上的位置 静电以及阻尼对 其的影响 l u a nj e 等 1 9 进行了无铅b g a 芷 片组件的板级跌落试验 失效分析和数值模 拟 探讨了焊球高度和大小等对跌落试验结果的影响 x i ed o n g j i 等 2 0 提出了一种新的 板级跌落试验方法 在跌落测试中 j e d e c 测试标准是使用的较广泛的测试标准 但是 这种方法需要大量的实验样片 然后通过统计的方法得到该样片的跌落特性 文中提供 了一种小的方形板 板上有四个芯片 有限元结果显示所有组件的焊点应变值是一致的 这个结果说明该方法对于跌落试验来说是高效的 同时使得数据点更有意义 c l r i el e c o q 等 2 1 通过建立圆片级封装板级跌落的仿真模型 作者通过对焊点和铜盘建立弹塑性 材料模型发现在材料中发生较大的塑性应变使得铜焊盘发生了强制性的塑性变形 并且 使用静态分析的方法讨论了该跌落模型的正确性 同时作者基于塑性应变对该组件进行 了寿命预测 上海交通大学的谢剐2 2 以高密度芯片封装中粘接膜界面分层为研究对象 针对其中 的界面分层现象进行了相应的数值模拟 作者提出的 直接湿气浓度法 和 简化瞬态 5 热一振动复合加载下基于il d s a 的芯片焊点寿命研究 微观蒸汽压模型 分别适用于高密度芯片封装中的湿气扩散模拟和蒸汽压变化模拟 很 好地解决了预测高密度封装中湿气加载下芯片组件寿命的问题 h ug u o j u n 等 2 3 1 研究发 现倒装芯片的可靠性主要受到装配过程中底部填充物 硅板和环氧树脂掩膜层的热膨胀 系数不匹配导致的较大的热机械应力的影响 作者通过有限元数值模拟和实验得出回流 焊工艺过程中的能量释放率是评估界面分层的合适的标准 同时可以通过对材料参数和 硅板的高度进行优化设计以降低倒装芯片中出现界面分层的风险 研究发现 绝大部分的研究工作都是关于单一的加载情况诸如振动加载 冲击加载 湿气加载和温度加载等 然而电子设备的实际服役环境是两种或多种加载的共同作用 如车载电子设备不仅受到发动机引起的温度加载的影响 还受到路况导致的振动加载的 影响 在电子器件追求小型化和多功能化的今天 对复合加载下电子器件的可靠性问题 的研究显得尤为迫切 国内外对复合加载下电子器件的可靠性的研究并不多 公开发表的文章也很少 国 内西南交通大学的毛江徽等阱 从材料的角度出发 对6 3 s n 3 7 p b 钎料合金在3 2 3 k 3 5 3 k 和3 7 3 k 温度下分别进行单轴应变控制的循环试验 分析循环应变率 应变幅值 加载 波形 保持时间 平均应变及其历史对材料高温循环特性的影响以及应力保持时间和加 载历史对高温蠕变的影响 研究表明 无论是单轴应变循环特性还是蠕变效应不仅依赖 于当前的温度和加载状态 同时还依赖于其加载历史 b a r k e r 等 2 5 提出了线性损伤叠加法 l i n e a rd a m a g es u p e r p o s i t i o na p p r o a c h l d s a 来考察复合加载对焊点的损伤 该方法通过单独计算温度循环和振动加载的影响 并考 虑在不同加载频率下将两者的损伤线性叠加 该方法忽略了温度和振动的相互影响以及 加载的顺序的影响 u p a d h y a y u l a 和d a s g u p t a 2 6 通过研究在振动冲击和温度循环复合加 载下含有表面贴装器件的电路板的寿命 u p a d h y a y u l a 发现了一个非常有趣的现象 测 试结果显示 焊点在复合加载下的寿命大于其室温下单纯振动加载下的寿命 作者推测 其原因是热机械产生的平均应力使得损伤降低 此外 u p a d h y a y u l a 采用增量损伤叠加 方法 i n c r e m e n t a ld a m a g es u p e r p o s i t i o na p p r o a c h i d s a 并考虑热机械产生的平均应 力对损伤的影响 对含铅封装芯片在温度和振动复合加载下损伤进行了计算 该方法基 于m i n e r 准则 计算在不同应力水平下焊点的损伤 其主要工作有 振动响应刻画 热 响应刻画以及在热和振动复合加载下互联焊点的应力的刻画 该方法在基于详细的有限 元分析 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f e a 和实验的基础之上得以实现 b a s a r a b 和c h a n d a r o y t 2 7 针对钎料为4 0 p b 6 0 s n 的互联焊点建立本构模型 并将其应用在热一粘塑性 动力学有限元 6 江苏大学硕士学位论文 求解过程中 在建立的本构模型中 使用热力学第二定律和连续介质力学作为损伤准则 通过仿真 发现使用m i n e r 准则来计算累积损伤严重低估了总的损伤量 并认为其结果 很好地支持t m i n e r 准则不适合用来计算复合加载下的累积损伤这个结论 q i 等 2 8 通过 对p b g a 芯片组件在温度和振动复合加载下的研究 在基于增量损伤叠加法和实验测试 基础上构建了一种快速寿命预测法 r a p i dl i f e p r e d i c t i o na p p r o a c h r l p a 将热导致 的平均应力引入作为表征复合加载下振动加载和温度加载的相互作用 其主要工作有 热损伤计算 振动损伤计算以及损伤叠加 将其不同加载下的损伤计算转化为关于组件 和印刷电路板的几何尺寸 如焊点高度 温度等 的公式 通过仿真发现快速寿命预测 法比线性损伤叠加法更接近实验值 q i 认为基于增量损伤叠加法的快速寿命预测法因引 入温度循环导致的平均应力 并将温度循环的作用和两种加载的相互作用计入总损伤量 因而比线性损伤叠加法更精确 e c k e r t 等 2 9 在其研究中同时使用了线性损伤叠加法和增 量损伤叠加法来对振动和温度循环复合加载下芯片组件作寿命预测 发现当振动在复合 加载中占支配地位时 其寿命预测的准确性较高 当振动不占支配地位时 其寿命估计 和加速疲劳测试的结果存在着显著的差异 同时 e c k e r t 等认为将温度循环导致的平均 应力来表征复合加载下相互作用的因素并不是一个好的选择 1 4 研究内容与思路 本文从焊点损伤的角度出发 对芯片组件进行温度循环和振动的复合加载下的可靠 性的理论研究和实验研究 主要研究内容有 1 制作实验样品 选取两片三星公司的无铅c s p 芯片 3 c 2 4 1 0 a l 和一片p m c 公司的含铅b g a 芯片 p m 7 3 5 0 p i p 将其贴装在印刷电路板上 制成芯片组件 对 比在相同几何位置处的c s p 芯片和b g a 芯片在温度循环和振动复合加载下的寿命 同时 对比在不同几何位置处的c s p 芯片在温度循环和振动复合加载下的寿命 2 基于有限元方法的数值模拟 利用有限元软件a n s y s 建立印刷电路板芯片组 件的有限元模型 进行静力加载分析和温度循环加载分析 得到芯片组件的变形情况 同时利用有限元软件分析焊点在复合加载下的应力应变情况 为寿命预测提供依据 3 芯片寿命分析 利用有限元法研究的焊点的应力应变 并结合损伤力学的方 法得到焊点的每个循环下的疲劳损伤和蠕变损伤 依据m i n e r 线性叠加原理将疲劳损伤 和蠕变损伤叠加起来作为一个循环下的总损伤值 最后m a n s o n c o f f i n 经验公式得到 7 热一振动复合加载下基于il d s a 的芯片焊点寿命研究 焊点的寿命预测 4 复合加载下的可靠性实验 利用电动振动测试系统和高低温交变热试验箱模 拟芯片组件的服役环境 使得芯片组件服役在温度循环和振动复合加载的工况条件下 利用电阻式应变计和应变放大器实验研究印刷电路板的实时变形情况 同时 利用菊花 链电阻监测焊点的损伤情况 有很多方法来解决不同环境加载下的互联焊点的损伤问题 但是还没有一个通用的 方法来解决不同环境加载下的失效问题 因为不同的加载条件下焊点失效的位置和机理 各不相同 比如 温度循环加载下焊点的失效形式为焊点的开裂 其失效机理为疲劳损 伤 机械冲击下焊点的失效表现为铜盘的开裂 其失效机理为铜盘的疲劳损伤 对于复 合加载下互联焊点寿命问题 情况显得更为复杂 使用现有的手段来解决单一加载的情 况是可行的 但是在复合加载情况下不同加载之间的相互影响的表征和不同类型损伤的 叠加对于寿命预测结果的精度影响尤为重要 前人的研究将温度导致的平均应力作为温度和振动相互影响的因素 这种寿命预测 方法的精度很低 因此本文的主要工作是寻找合适的方法来描述温度和振动之间的相互 影响 文中使用的6 3 s n 3 7 p b 是电子领域使用最广泛的焊接剂 其中含有的元素主要有a l s b a s b i c d c u f e p b a g s n 和z n 6 3 s n 3 7 p b 的再结晶温度 为4 5 6 k 1 8 3 当温度t 为2 2 8 k 一4 5 时 乙为0 5 故在实际使用过程中焊球应看成服役在高温 环境下 因此在其通常工作条件下除了存在疲劳损伤的积累 也存在蠕变损伤的积累 高温环境使得钎料的显微组织发生演化 对焊点力学性能产生影响 对于在复合加载下的疲劳损伤和蠕变损伤的累加方法有线性叠加法和非线性叠加 法两种方法 尽管非线性的叠加方法发展得很快 但是基于现有的研究成果还不能证实 其是否适合应用在电子器件的可靠性方面 在高温环境下 采用建立在损伤累积模型上 的线性损伤累积准则方法 该方法的思想是将损伤看成两部分即与时间无关的疲劳损伤 和与时间相关的蠕变损伤 式 1 1 给出了该方法的具体形式 b 删 d 砬 1 1 式中 蚋无蠕变作用的疲劳损伤 d c 为蠕变损伤 在本文的计算中 忽略材料的各向同性强化作用 即假设屈服应力为恒定值 同时 6 3 s n 3 7 p b 的拉伸强度比剪切强度稍小 应用v o nm i s e s 准则能很好的描述其多轴应力 在本文的损伤计算中 忽略材料各向异性特性的影响 本文的研究基于以下假设 r 江苏大学硕士学位论文 1 除互连焊点外其他材料均为线性材料 2 温度变化时组件整体温度相同 3 不考虑组件质量引起的重力的影响 4 模型的初始状态为无应力状态 5 忽略材料各向异性的影响 6 所有材料界面均完全接触 本文对复合加载下焊点寿命进行研究的步骤为 首先 计算在单一加载条件下焊点 的变形情况 构建温度加载及振动加载与焊点变形量之间的映射关系 利用该映射关系 描述焊点的近似变形量 并将其作为多轴加载的边界条件 然后 基于损伤力学和多轴 加载理论研究焊点的疲劳损伤和蠕变损伤 最后 通过线性叠加法得到复合加载下焊点 的总损伤及寿命 其流程如图1 4 所示 厂磊 虱 鬻嚣ll 竺竺竺 变形之间的关系 l i 危险焊点的位移加载l 危险焊点的应力应变 多轴疲劳损伤d 蠕变损伤d c d d 耐2 d d c 工 一 疲劳寿命 图1 4 复合加载下寿命预测流程图 f i g 1 4t h ef l o w c h a r to f t h el i f e p r e d i c t i o na p p r o a c h 在对封装结构的有限单元应力应变分析中 各封装级次间存在的压力 张力和剪力 作用 但是在铜基板与焊点的界面位置处 焊点并不在纯拉伸和纯剪应力状态下 所以 简单的单轴模型并不能反映材料实际的复杂应力状态 故本文采用非比例多轴加载模型 q 热一振动复合加载下基于ll d s a 的芯片焊点寿命研究 来计算互联焊点在复合加载下的应力应变情况 相对于前人的方法 本方法充分地考虑 到振动加载对蠕变损伤的作用 可以很好地描述整个加载过程中的应力应变情况 为计 算焊点的疲劳损伤值和蠕变损伤值提供了依据 1 5 本章小结 封装器件的可靠性问题受到广大学者和企业工作者的重视 绝大部分的研究只是着 眼于单一的加载情况 但是电子器件在使用过程中遭受的是温度和振动等复合加载的作 用 因此 开展复合加载下芯片组件的可靠性研究是十分迫切和必要的 本文将以数值模拟和实验测试的方法研究热 振动复合加载下芯片组件的疲劳寿命 问题 为设计高可靠性的高密度封装芯片组件提供一定的理论依据 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章理论基础和研究方法 电子器件可靠性问题的主要研究方法有两种 一种是借助有限元软件对芯片组件进 行数值模拟以得到其应力应变情况 并结合寿命公式得到电子器件的寿命 第二种是利 用实验设备模拟电子器件的真实工况以得到其寿命 本文将同时采用上述两种方法研究 电子器件在复合加载下的寿命问题 为了研究芯片组件在复合加载下的寿命问题 需要对整个组件进行失效分析 研究 发现互联焊点是整个芯片组件中最为重要也是最容易失效的部分 焊点实现了芯片与印 刷电路板之间的电气互联和机械连接 同时焊点也是电子器件中最薄弱的环节 因此 焊点的可靠性问题受到广大学者和企业工作者的高度重视 开展本课题研究的主要理论 基础有 有限元方法 多轴加载理论和损伤力学 2 1 有限元方法 a l e x a n d e rh r e n n i k o f f 由于其文献 3 0 的贡献 被认为是有限元方法的创始者 h r e n n i k o f f 所做的工作是利用一个网格化的类比来离散一个区域 有限元方法 第一 次出现在文献中时是在1 9 6 0 年c l o u g h 的一篇关于平面弹性问题的论文中 3 1 c l o u g h 认为其提出的有限元方法参照于阿吉里斯方法 c l o u g h 在文献中提到的关键概念如刚 度矩阵和元素组成存在的本质形式一直沿用至今 有限元方法是力学 计算方法和计算机技术相结合的产物 在求解工程技术领域的 实际问题时 建立基本方程和边界条件是较简单的 但是由于其几何形状 材料特性和 外部载荷的不规则性 使得求得解析解非常困难 有限元方法把求解区域看作由许多节 点相互连接的小的单元或元素所构成 由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺 寸 所以它能很好的适应复杂的几何形状 材料特性和边界条件 n 十世纪七十年代 后期 随着计算机硬件技术和软件技术的发展 有限元法也随之迅速发展起来 所涉及 到的内容有 计算机程序设计 有限元法在数学和力学领域所依据的理论 单元的划分 原则 形状函数的选取及协调性 有限元所涉及的各种数值计算方法及其误差 收敛性 和稳定性 向其他领域的推广 时至今日 有限元方法成为一种非常受欢迎的 应用极 广的数值计算方法 有限元方法己被应用在固体力学 流体力学 热力学 电磁学和声 1 1 热一振动复合加载下基于il d s a 的芯片焊点寿命研究 学等各个领域 现在用于大型复杂工程问题如汽车碰撞和重物重压下的失稳等问题 有 限元分析的自由度达到几十万甚至上百万个已经是很常见的情况 有限元求解的问题从性质上可以归为三类 1 独立于时间的平衡问题或者称为稳态问题 2 特征值的问题 3 依赖于时间的瞬态问题 对于上述三类问题如果从方程自身性质的角度去考虑还存在着相对应的非线性问 题 非线性问题产生于材料性质 变形状态和边界条件 这也被称作为材料 几何和边 界非线性问题 解决这些非线性有限元问题的主要算法有 3 2 1 采用n e w t o n p a p h s o n 方法或修正的n e w t o n p a p h s o n 方法等将非线性方程转 化为一系列线性方程进行迭代求解 并结合加速方法以提高方程的迭代收敛速度 2 采用预测一校正方法或广义中心法等对材料非线性本构方程进行积分 决定加 载过程中的材料应力应变的演化过程 3 采用广义弧长法等时间步长控制方法 临界点搜索和识别方法 对非线性载 荷 位移的全路径进行追踪 4 采用拉格朗日乘子法 罚函数法或直接引入法 将接触面条件引入泛函数 用来求解接触和碰撞的问题 有限元法发展至今 已成为一门相当复杂的工程实用技术 有限元模拟软件也出现 了很多 如a n s y s p a t r a n n a s t r a n a b a q u s 和h y p c r m c s h 等 在本文中选用的有限元 模拟软件为a n s y s a n s y s 公司创建于1 9 7 0 年 该公司的产品和技术被广泛的应用 于多个行业包括航空航天 汽车工业 生物医学 桥梁 建筑 电子产品 重型机械 微机电系统 运动器械 水利 地质矿产和船舶海洋工程等 a n s y s 软件是迄今为止 世界范围内唯一通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证的分析设计类软件 是美国工程师协会 美国核安全局及近2 0 个专业协会认证的标准软件 a n s y s 软件主要包括三个部分 前处理模块 计算处理模块和后处理模块 前处 理模块提供了实体建模及网格划分工具 用户可以方便地进行有限元的实体模型和网格 划分 计算处理模块包括结构分析 流体动力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分 析以及多物理场的耦合分析 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示 梯度显示 矢量显示 粒子流迹显示 立体切片显示 透明及半透明显示等图形方式显示出来 也 可将计算结果以图表 曲线形式显示或输出 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 多轴加载理论 机械结构在实际服役过程中大都工作在循环载荷下 其主要失效形式为疲劳断裂 1 9 8 2 年美国联邦政府调查结果显示因机械设备疲劳寿命设计不当导致的事故损失占国 民经济总产值的4 4 由疲劳断裂引起的事故占机械结构失效破坏的9 5 3 3 1 因此开 展复杂结构的寿命预测研究显得尤为重要 这对提高产品设计水平 降低生产成本和延 长使用寿命具有重要的意义和经济效益 同时也是提高我国机电产品竞争力的重要手段 之一 多轴疲劳是指多向应力或应变作用下的疲劳 多轴疲劳损伤多发生在循环加载条件 下 这些应力应变分量的变化可以是相同相位的 按比例的 叫做多轴比例加载 应力 应变分量的变化是非同相位的 非比例的 叫做多轴非比例加载 服役环境下的机械构件通常承受复杂的多轴比例载荷和多轴非比例载荷的循环交 互作用 如飞行器 压力容器 发电厂和交通运输工具等 早期处理复杂应力状态下的 疲劳问题时是将多轴加载的问题利用静强度理论的方法等效为单轴加载状态 然后利用 单轴疲劳理论处理复杂载荷下的疲劳问题 研究发现在多轴比例加载的情况下 该等效 方法是可行及有效的 同时 我们也可以发现该等效方法在处理非比例多轴加载的情况 时是不可行的 因为多轴非比例加载远不同于单轴加载 单纯的单轴疲劳理论已经不适 用于复杂的多轴非比例加载的疲劳寿命计算 国外研究人员对于复杂结构的寿命预测的研究现状为 3 3 自1 9 8 2 年起相继在美国 英国 德国 波兰和葡萄牙等国多次召开了多轴疲劳的国际会议 从这几次国际多轴疲 劳的会