非接触式激光全息激振的窄带随机振动疲劳试验及焊点失效分析

非接触式激光全息激振的窄带随机振动疲劳试验及焊点失效分析

近年来，由于bga的巨大体积，已成为一种主要的密封形式。先前研究人员主要关注其在热循环、热冲击下的可靠性,但是现代电子设备服役期间除了热应力,还会遭受许多不同形式的振动与加速度水平,比如应用在军事或汽车上的微电子产品在使用过程中往往处于严重的振动环境。而当电子设备处于严重的振动冲击环境(如汽车、航空航天及军用设备等),电子设备的可靠性将受到很大的影响。美国空军AVIP(AvionicsIntegrityProgram)统计数据表明20%电子产品失效是源于振动冲击,所以研究振动冲击环境因素对BGA焊点可靠性是十分必要的。国内外已有学者在这方面做了一些研究。Yang等进行了在固有频率附近的窄带扫频正弦激励,Chen等与Che等分别对PBGA(PlasticBGA)焊点和倒装(flipchip)焊点进行正弦振动可靠性试验,并利用线性累积损伤方法来研究振动疲劳寿命;Liu等研究了不同应变水平和振动频率下BGA封装焊点的振动可靠性并进行寿命预测;王红芳和郭强等研究了PBGA与FCBGA(flipchipBGA)的窄带随机振动疲劳;以上研究均是针对锡铅焊点的振动可靠性的。随着电子产品无铅化的普及,研究人员开始关注无铅焊点的振动可靠性,比如Kim等采用扭转疲劳机研究了锡铅焊点与无铅焊点振动疲劳可靠性;Zhou等比较了简谐激励下锡铅焊与无铅焊振动可靠性,而陈子夏等研究了正弦定频激励锡铅焊与无铅焊振动疲劳寿命。另外,陆裕东等从微观角度研究了随机振动试验中P元素的分布与含量对无铅焊点失效的影响,虽然对无铅焊点振动可靠性的研究越来越多,但是绝大部分学者都是考虑简谐激励下BGA无铅焊点的振动可靠性,而实际上,处在振动环境中的大多数电子设备都是遭受随机激励而不是简谐激励。本文对BGA无铅焊点进行了三种随机振动条件下的可靠性试验研究。首先基于非接触式电视激光全息激振技术进行模态试验,了解试件的基频;然后以其基频为中心对试件进行窄带随机振动疲劳试验,研究了三种不同加速度功率谱密度(PSD)幅值的BGA无铅焊点振动可靠性;最后进行金相试验探究BGA无铅焊点的失效机理。1mm封装工艺试验试件为圆形电路板组件(PCBA),其中心对称地贴装8个BGA(11mm×13mm)封装,如图1所示。板上8个BGA依次编号为U1,U2,……,U8,PCB上焊盘类型为非焊接屏蔽界定(NSMD)且有微孔(VIP),BGA上焊盘类型为焊点屏蔽界定(SMD),试件贴装后每个BGA封装内部最外圈四个角上的焊点均形成菊花链。2vibromak激光测振系统试验窄带随机振动试验是以试件第一阶频率为中心频率进行的,所以在做窄带随机振动试验前必须进行模态试验了解试件的动态特性。本文采用非接触式的电视激光全息激振技术,没有附加质量的影响,大大提高测量精度。模态试验系统框图如图2所示,通过工作站上的软件控制激励脉冲的频率和幅值,设定的频率和幅值通过数字/模拟转换器(ADC)将数字信号转化成模拟信号,然后经过2712功率放大器放大后驱动B&K激振器(激振力峰值是1kg力)。同时工作站也控制VibroMap1000激光测振系统进行图像采集等功能,采集到的图像经过模拟视频滤波器进行滤波,并在显示器上显示。VibroMap1000激光激振系统的镜头距离试件的距离是1m。在试件未贴芯片的一面喷上一薄层白色的反光粉,试验过程中激振的位置如图2所示,激振点靠近固定边界,是试件上刚性相对较好的地方。由于前两阶模态振型尤为重要,所以试验中主要测试了前两阶的固有频率,结果分别为200Hz和439Hz。3随机振动试验了解试件的动态特性后进行随机振动试验,激励载荷以试件的第一阶固有频率为中心频率,带宽为20Hz,输入加速度功率谱密度幅值为以恒定值[如60(m/s2)2/Hz]的窄带随机基础激励,并利用LMS软件对振动台进行反馈控制,随机振动试验框图如图3。试件上BGA封装内部最外圈四个角上的焊点形成一个菊花链,通过外接电阻和一个直流电源构成一个完整的回路,然后利用Sony数据采集仪实时监测外接电阻两端的电压值,根据电压值的变化情况来判断焊点是否失效,当电压值变小或有波动时,表示焊点有裂纹产生,电压值变为零则表示焊点彻底断裂,随机振动试验停止。试验过程中采用非接触式方法测试试件的振动响应,即在振动试验的同时用Keyence公司型号为LKG80的位移激光传感器测量试件中心的位移响应。4随机振动加速度功率谱密度幅值对焊点疲劳失效位置的影响文中分别进行了三组不同加速度功率谱密度幅值[60(m/s2)2/Hz、80(m/s2)2/Hz和120(m/s2)2/Hz]的随机振动疲劳试验。在这三种随机振动情形下,试件上全部BGA封装失效时间分别为42min、27min和18min,可见随着加速度功率谱密度幅值增加焊点失效速度加快。接着通过金相试验进行焊点失效分析,三种情形下BGA无铅焊点失效后的典型金相图如图4～6所示(由于金相打磨的程度不一样,致使焊点剖面形态不相同,但不影响裂纹位置形态的观察)。由失效焊点的金相剖面形貌图可以发现三种随机振动情况下焊点疲劳失效位置和失效形式不尽相同。当随机振动加速度功率谱密度幅值为60(m/s2)2/Hz的时候,焊点失效金相图见图4。由这两个失效焊点的金相图均能发现靠近PCB一侧的裂纹较粗并且贯穿整个焊球,另外在焊球颈部也有细裂纹,可见裂纹首先产生于靠近PCB一侧的焊球体,属于焊球体疲劳断裂失效。当加速度功率谱密度幅值增加到80(m/s2)2/Hz后,焊点失效部位发生了变化,主要裂纹位于焊球颈部,贯穿整个焊球,而且发现在封装一侧的Ni/IMC界面处也出现了部分裂纹[如图5(a)]。当加速度功率谱密度幅值继续增大到120(m/s2)2/Hz后,焊点失效位置与前面两种情形不相同(如图6)。从图中可知焊点失效部位是靠近封装一侧的Ni/IMC界面处,从裂纹断口看属于脆性断裂。因此由试验结果可知:随机振动强度不一样,焊点失效机理不尽相同。随着随机振动的加速度功率谱密度幅值增加,即随机振动强度加大,BGA无铅焊点的失效加速,且失效位置从靠近PCB一侧的焊球体逐渐转移到靠近封装一侧的Ni/IMC界面处,失效形式由疲劳断裂转为脆性断裂。尤其是图6所示的BGA无铅焊点随机振动失效形式与跌落碰撞下BGA无铅焊点的脆性断裂失效形式惊人相似。另外,从激光位移传感器测试得到试件中心的位移响应进行频域分析,可以获得中心位移的均方根值(RMS)与频率的关系,见图7。图中60、80、120分别代表上面三组不同加速度功率谱密度幅值[60(m/s2)2/Hz、80(m/s2)2/Hz和120(m/s2)2/Hz],从图中可以看出随着加速度功率谱密度幅值的增加,位移的均方根值增大,也就是振动过程中试件的挠度变大,焊点承受的拉应力增加,导致失效也就越快。5无铅焊点失效加速文中进行了三种加速度功率谱密度幅值下BGA无铅焊点的窄带随机振动疲劳试验,并对失效焊点的进行金相剖面形貌分析。不论是试验模态分析还是窄带随机振动疲劳试验,均是非接触式的,没有附加质量的影响。试验结果表明无铅焊点失效位置随着窄带随机振动加速度功率谱密度幅值增加[60(m/s2)2/Hz->80(m/s2)2/Hz->