PCBA焊点可靠性预测

1、pcbA旱点可靠性预测 一、预测焊点的可靠性 旱接点的疲劳寿命预测对电子封装的可靠性评估是关键的。 在微 电子工业中预测失效循环次数的标准方法是基于使用通过试验得出 的经验关系式。如果使用一个分析方法，通过都是使用诸如 coffin-Manson(c-M) 这样的经验曲线。通常，使用接合元件之间的 CTE差别，计算出焊接点内最大的预测弹性与塑性应力。 大多数时间，使用塑性应变值，是用C-M曲线来预测焊接点的疲 劳寿命。通过研究者已经显示，这个方法对BGA寸装所产生的结果是 保守的。例如，Zhao et al.已经从冶金学上证明，C-M方法不能用 于微结构进化的材料，如锡铅焊锡合金1,2 o其理

2、由是C-M方法没有考 虑在疲劳期间材料特性的任何变化。 C-M方法假设，在每一个热循环 中所经历的塑性应变在整个热循环过程中是保持不变的。 事实上， 焊 接点所经历的实际塑性应变在每个循环都由于微结构变粗糙而减少。 因此，C-M方法大大地低估了焊接点的疲劳寿命。 在本研究中使用一个损伤进化函数来量化焊接点的退化。 损伤进 化函数是基于热力学的第二定律，并使用熵作为损伤度量。 Basaran 和Yan已经证明，作为一个系统失调度量的熵可用作固体力学的损伤 度量标准 3。损伤进化结合到一个统一的粘塑结构模型中 ( 在下面描 述) ，用来描述在热机负载下焊接点的循环疲劳特性。 二、构造模型 试验结果

3、显示， 相对于懦变或粘塑应变， 塑性应变对低循环疲劳 寿命的影响是可能忽略的。 依赖时间的懦变形支配着焊接点的低循环 疲劳寿命 1,2 。这是因为共晶与近共晶焊锡合金一般预计由于其低熔点 (183 C)在高同系温度下工作。在高同系温度下，材料经历很大的懦 性变形。因此一个热粘塑结构模型对于建立焊接性能模型是必要的。 为了建立近共晶焊锡的第一、 第二和第三懦变阶段模型， 需要懦 变率函数。在高同系温度下的大多数金属与合金的稳定状态塑性变形 的动力学可用 Dorn 懦变方程来描述 4。 Kashyap 与 Murty 已经从实验 上证明，颗粒大小可以重大影响锡铅焊锡合金的懦变特性 5。基于他 们的

4、实验室试验结果，他们提出了一个懦变定律，修正 Dorn 方程。 应变率描述为温度、扩散率和诸如Young的模数与颗粒大小等材料参 数的函数。活性能量随温度而变化，基于已发布的懦变数据而决定。 类似地，颗粒大小与应变率成指数关系，试验上确定的颗粒指数。 为了模拟材料的循环疲劳特性， 需要一个逐步退化的模型。 损伤 机制为我们提供一个开发损伤进化模型的基本框架。 将一个内部损伤 变量引入应力应变关系中。 随着焊锡退化的增加， 损伤变量的值由零 上升到一，即代表完全失效。Bassran和Yan已经证明，熵是最准确 和最简单的焊点损伤度量标准 3。该熵可以描述为失调参数。失调参 数的变化产生焊接点的退

5、化。 有关失效机制模型的更详细情况可以查 阅参考资料 3,6 。 使用前面简要叙述的基于构造模型的损伤机制， 消除了需要估算 失效循环数的两步过程， 即进行失效分析的传统方法。 有限单元分析 通常计算一个温度循环的塑性应变，然后使用C-M曲线预测该塑性应 变值的疲劳寿命。上面提出的模型直接产生每个焊接点的疲劳寿命， 以及提供对发生在焊点内的退化过程的视觉显示。 有限单元模拟与实验室试验 通过基于损伤机制的模型进行了对简单循环剪切试验的几个数 字模拟，并比较Pb40/Sn60焊接点的疲劳试验结果。Solomon在对称 位移控制的条件下，以不同的塑性应变范围，进行了对Pb40/Sn60焊 接点的循

6、环简单剪切试验 9。作者报告了对每一个塑性应变范围的失 效循环次数，将失效定义为在最终应力下 90%的负载下降。图一显示 Solomon的试验数据与有限单元模拟之间的失效循环次数的比较。 也对经受热循环的一个实际BGA寸装的Pb37/Sn63焊接点进行了 计算机模拟。试验的BGA寸装横截面如图二所示。FR-4印刷电路板 和聚合材料的连接器层通过Pb37/Sn63焊接点连接。由于结构的对称 性，模拟只画出封装的一半和取网格 fd-Uuc卩血诃 m砂川駅Hfu叶曲“gr C-rjin conEroi zt te-nfe-rjtune- *5) 口遥时nEwxlt 2|一 图一、疲劳寿命比较(Sol

7、omon的 试验与FEM) 图二、BGA封装的横截面 *41/怡j J认创 line 7 J宅话*瓦喜 图三、一个周期的热负载曲线 为了证实该模型和对有限单元程序的实施，进行了试验。一个实 际的BGA封装在SuperAGRE的温度老化室进行热循环，塑性应变场 通过高灵敏度的Moir 干涉测量方法测量。使用有限单元程序，和已 实施的构造模型，对相同的热循环试验进行了模拟和比较结果。 图三显示该BGA寸装经受的热负载曲线。使用 SuperAGRE的温 度老化室进行热循环。试验样品定期地取出，使用Moir 干涉测量系 统测量无弹性应变的累积。该试验的详情在Zhao et al中给出1,2。 在试验与

8、有限单元分析(FEA)模拟期间，封装固定在中间FR-4 PCB层 的两端。在有限单元模拟中，FR-4 PCB和聚合层被认为是线性弹性 的，焊接点随着损伤的进化被认为是非线性弹性 -粘塑性的。 豊切舅鳥豐甯誥 r.l.出2r恵汁s:弑比 m TM: K? 1 . JB M 图四、在2与4个热循环之后的剪 切应力分布 （使用了损伤模型） -2.75k 02 ，- ,-Z01 w-03 :-1.4k-l.51a-02 t-1，口02 卡.伽-倔 * “ : M QCQiM 1 g W -R J*r-a? 士 E51 - hl. Ill 阿遽i) e；. ii -：- H： 怜质 fhMi mix i

9、Rjfar cETec t ?5i-ia 汽*敘 -1 Xi- rxi 1 小 4-4* I g H PH J F/P-Sf /讪处 * t-b 诃 -? tci. rD 甘加毅 - fti mr乜叩 厲:.:-mtT .Ii 图五、在6与8个热循环之后的剪 切应力分布 （使用了损伤模型） 5htar strain after 10 u 图六、在10个热循环之后的剪切应力分布 （使用了损伤模型） 由于在FR-4 PCB与聚合层之间的温度膨胀系数（CTE）的不匹配, 焊接点内的热诱发的剪切应力是周期性的， 造成焊接点的热机械疲劳。 试验结果显示，剪切应力支配在焊点中懦变疲劳。图四至图六显示剪 切

10、应力的数字模拟。事实上，试验到失效可能要求1,000次以上的循 环。可是，对于证实计算机模型的目的，模拟十个循环已经足够了。 焊点的剪切应力的有限单元分析（FEA）结果与Moir 干涉测量的试验 数据有很好的相关性。在试验期间，最高的应力总是在焊接点一上观察到。因此从FEA和Moir 干涉测量方法所得到的该焊点的无弹性应 力积累在图七中绘出。应该指出的是，在我们的试验与分析中，观察 到塑性应力的累积从一个循环到另一个循环不是线性的。随着焊锡的 粗化，在每个循环中的塑性应力累积减少。在另一方面，使用C-M方 法，假设塑性应力累积是线性的。因此，事实上，从实验室试验所获 得的BGA寸装的疲劳寿命通

11、常是比基于Cofin-Manson的模型所预测 的较长 eflJ3lrpu4Bn Simyc graut ppil i*i知 用.nt it W *d沪 图七、有现单元模拟结果与Moir e图九、在十个热循环之下最大损伤 干涉测量 的进化 试验结果比较 （使用了损伤模型） 鈕 -7.79-X-03 KO9-JI-Q2 -1.2?x-02 +1.56-X-02 41 BOM? Damage distribution 10 I .34x4)J 1- *3.35x02 图八、在十次热循环之后损伤的分布 （ 使用了损伤模型 ） 在焊点之中损伤的分布模拟如图八所示。 损伤分布提供设计优化 和可靠性的重要信息， 因为它可用来预测封装在哪里何时失效。 图九 显示关键焊接点的损伤进化。 损伤进化是在疲劳负载下材料退化的内 在反映，而不只是间接的度量，如电气开路。使用损伤进化函数，可 以作出精确的疲劳寿命预测， 并且借助于计算机模拟可以对每个焊接 点预测材料退化的进度。 三、结论 一个具有损伤偶合粘塑结构模型的计算工具已经提出， 并通过一 个用户定义的材料子程序实施在有限单元软件包中。 使用计算机模拟， 对新一代封装的可