热循环加载条件下焊点的可靠性分析

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• Date: 2016-11-03
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摘要：电子产品在贮存、运输和使用过程中，时刻都受温度环境的影响，特别是对于表面贴装器件（SMD）而言，其焊点直接起着电气连接、机械连接以及传热作用，在交变温度环境下，由于电子产品各组成部分材料的热膨胀系数不匹配，焊点内部会产生近似于周期性变化的热应力，从而逐渐发生疲劳失效。本文基于三维形态的对角切条BGA焊点可靠性分析模型，采用统一粘塑性Anand模型描述了95.5Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金的本构关系，对焊点在热循环加载条件下的力学行为进行了有限元分析与热疲劳寿命预测。此种方法也可用于工艺参数优化设计中，对电子产品的设计及生产制造有一定的指导意义。 关键词：热循环，焊点，有限元，可靠性 引言 在采用SMT技术进行互联的电子产品中，元器件与印制电路板PCB之间主要是通过焊点来实现互联的，焊点既起到机械支撑又起到电气互联的作用，焊点的可靠性直接关系到SMT产品的使用寿命。目前，在失效的微电子产品中，焊点失效是主要原因[1]。焊点的失效一方面来源于生产装配工序中的焊接故障，最为常见的是钎料桥连、虚焊、焊接处形成焊珠、立碑等故障；其次当环境温度或通断电状态变化时，由于基板和元件材料的热膨胀系数的差别，导致钎料产生粘性行为，出现蠕变损伤。另外在使用过程中，由于不可避免的冲击、振动等造成焊点的机械损伤 [2]。 焊点可靠性问题一般指电子元器件和组件在服役条件下，由于热循环、振动和冲击等外界环境因素的影响，连接PCB与器件的焊点内产生周期性的应变应力，导致裂纹的形成与扩展，最终使得焊点失效。 贝尔和IBM实验室对电子产品进行了大量的疲劳分析实验，得出了低周疲劳是焊点失效的主要原因的结论。图1为美国空军航空电子统计分析中心由统计数据列出的对电子设备可靠性影响的主要环境因素。 电子产品在使用过程中，由于环境温度的变化及电路的近似周期性的通断，使焊点处于温度循环作用下，由于各材料间CTE的不同，如Al2O3陶瓷芯片载体材料的CTE（热膨胀系数）约为6.0ppm/℃,而环氧树脂/玻璃的基板材料的热膨胀系数为15 ppm/℃，这样焊点内部将产生周期性应变应力，导致裂纹在焊点中产生扩展，使得焊点最终失效。如图2所示。 对可靠性研究的方法主要有两种：（1）可靠性强化试验；（2）有限元仿真分析。本文主要基于PCBA样件，用有限元工具软件ANSYS10.0，建立对角切条BGA焊点三维有限元模型，然后在热循环加载情况下，基于Anand模型和Coffin-Manson方程来分析热循环加载条件下焊点的力学行为，研究应力应变分布以及焊点的疲劳寿命。 1 有限元模型的建立 基于实验样件，在进行热循环和随机振动载荷作用下的应力应变分析时，综合各方面因素，为了得到更好的结果，考虑PCBA上器件类型，选用具有代表意义的球栅阵列封装的BGA（Ball Grid Array）器件,忽略其他器件。其中APA300-FGG144为12×12阵列焊点结构，采用其对角切条部分再次简化模型，如图3所示。 另外，不考虑电路板中铜导线等对模型结果的影响；忽略在器件或者PCBA制造过程中可能存在的残余应力和应变；假设当温度变化时，模型各个结构温度均相等；假定材料之间是理想的结合等。经过简化处理后，分析模型纵向结构如图4所示。 图3 APA300-FGG144 阵列示意图 图4 模型纵向结构图 表1 对角切条模型设计尺寸表（单位:mm） IC基板 上铜焊盘 焊球 下铜焊盘 PCB基板 20*2*1.0（L*W*H） 0.23*0.015 (R*H) 0.322*0.45(R*H)球间距1.414 0.23*0.03 (R*H) 40*20*1.2 (L*W*H) 在ANSYS10.0中建模采用自上而下直接建模方法，并利用布尔操作生成模型。具体模型设计尺寸参数如表1。焊点模型的线弹性材料参数如表2. 表2 焊点模型的线弹性材料参数 根据上述参数ANSYS中建立无铅BGA焊点三维对角切条模型，在热循环加载条件下，焊点采用粘塑性单元VISCO107，其它部分采用SOLID45单元，三维对角切条模型如图5所示。对焊点及焊盘部分采用扫掠网格划分后，再对IC基板和PCB基板进行自由网格划分。三维有限元网格模型如图6，共有50903个单元体，25660个节点。 图5三维对角切条模型图 图6三维对角切条有限元模型 2 焊点有限元可靠性分析理论依据 2.1钎料合金的统一粘塑性本构方程[3，4] 要正确分析焊点在热循环载荷作用下的应力应变过程，另一个关键问题是要对焊点合金在加载条件下本构关系（即应力-应变关系）进行合理的描述，要求它不仅能够描述钎料的弹性应变和应力之间的关系，还需要得到在承受载荷情况下温度、微观材料组织与非弹性应变速率的相互关系。 因为钎料合金的熔点较低(如SAC387钎料的熔点约为Tm=502K(220℃),电子产品温度冲击从-55℃到+125℃情况下时可达0.4～0.75Tm。当在这样高的温度下工作时，钎料合金的变形情况与时间、温度均有关系，塑性形变是不能恢复的，属于热激活，一定程度上具有动态回复、应变硬化的特点。现在很多学者在钎料合金的粘塑性应变处理问题上，通常把蠕变应变（与时间有关）和塑性应变（与时间无关）分开处理。在热循环加载工况下，可采用统一型的单一内变量Anand模型来描述钎料合金的力学本构关系。 Anand模型有两个基本特征与其它材料模型不同：（1）变形期间，塑性形变产生于全部非零应力状态下，而且它不需要准确的加、卸载规则和屈服条件。（2）材料内部状态呢变化相对应的塑性流动阻抗用单一内变量来描述。形变阻抗即内部变量用s表示，有应力量纲。粘塑料材料和应变速率、应变率历史效应、以及温度相关的变形行为应变硬化和动态回复等特性可以从这个模型中反映出来。 其中材料对宏观塑性流动的各向同性平均阻抗可以由Anand模型本构方程中与位错密度和晶粒粗化等效应相关的形变阻抗体现。如式1, s与等效应力成正比： （1） 其中，为材料参数，当处于恒应变速率条件下时为常值，可描述为2式。 （2） 式中，为非弹性应变速率，指数因子为，代表激活能，表示应变率敏感指数，代表应力乘子，是气体常数，相当于绝对温度。 式（2）进一步转化可得为如下的方程: （3） 式（3）与描述稳态塑性流动的双曲正弦规律（Garofalo）相似。其中，应力项为内部变量是除数，温度和应变率的关系需满足Arrihenius公示。 形变阻抗演化后可得方程: （4） 上式中，定义了应变回复、硬化等动态过程。4式的扩展形式也由Anand给出如5所示: （5） 其中： （6） 上式中，代表硬化/软化常数，属于变形抗力的饱和值，是硬化/软化应变率灵敏度，是变形抗力饱和值的应变率灵敏度，代表变形抗力饱和值常数，代表给定应变率和温的情况下内部变量的饱和值。表3所示为部分常用钎料合金粘塑性Anand本构方程的材料参数[5,6]。 表3 常用钎料粘塑性Anand本构方程的材料参数 2.2 基于塑性应变的焊点疲劳寿命模型 在热循环过程中，电子组件的焊点主要是因为塑性应变的积累带来了等温低周疲劳损伤，最终使得焊点失效。在基于塑性应变的疲劳模型中，应用较多的是Coffin-Manson、Soloman和Engelmaier等人提出的基于塑性应变的焊点疲劳模型。该疲劳模型描述了循环寿命与在每一循环过程中焊点塑性应变大小经验关系，可通过实验、数据分析、数值模拟计算获得焊点的塑性剪应变。 现在最常使用C-M方程（Coffin-Manson方程）来进行焊点低周热疲劳寿命预测，其中决定焊点疲劳寿命的是塑性形变量，如下7式描述： （7） 上式，是塑性应变范围，是疲劳寿命，代表疲劳韧性系数(fatigue ductility coefficient)，代表疲劳韧性指数(fatigue ductility exponent)。 3 热循环条件下焊点的可靠性分析 有限元模型的固定方式选取电路模块实际安装方式：PCB两条短边固定，即在对角切条有限元模型中两短边加载DOF约束。热循环加载条件按国军标GJB 150.5A-2009选取：温度从－55℃到＋125℃范围为180℃，高、低温均保温10分钟，升温、降温速率均为36℃/min，循环频率(5.56×10-4Hz)，整个加载过程持续24小时。 3.1 应力应变分布特征 在ANSYS应力应变分布图中，用颜色来区分值的大小和不同区域。其中，SEQV、EPPLEQV分别表示Von Mises等效应力和等效塑性应变；DMX表示位移最大偏移量；SMX、SMN表示最大、最小值，并在图中以“MX”、“MN”字样标出。 图7 T=4500s阵列焊点等效应力分布 图8 T=4500s阵列焊点等效应变分布 图7所示为热循环第三周低温（-55℃）保温阶段结束（T=4500s）时阵列焊点等效应力分布图，图8所示为该时刻BGA阵列焊点等效塑性应变分布图。图9、10为应力应变最大焊点等效应变、等效塑性应变分布图。 图9 T=4500s最大应力焊点应力分布 图10 T=4500s最大应力焊点应变分布 从图7和图8中可见：（1）焊点内的应力应变分布是不均匀的；（2）在热循环加载工况下PCBA上应力应变最大的焊点位于离BGA中心最远的对角位置，此位置焊点最先失效，为关键节点。（3）应力应变最小的位置为BGA器件中心的焊点。 从图9和图10中可见： （1）钎料合金与BGA器件金属化端(上铜焊盘)接合面处为高应力、高应变区域。（2）应力应变最大区域在处于焊点与器件金属化端接合面(上铜焊盘)圆弧外缘处附近，因此，可以确定该位置为关键位置，即最容易首先失效的位置（如图3-5所示），由仿真结果可知在该时刻等效应力最大值为0.112E+8Pa，等效塑性应变最大值为0.159392。（3）应力应变最小的位置为钎料焊球中部。 3.2热循环条件下应力应变的变化 图11为在热循环加载情况下，3900秒（第三周期）低温开始、4500秒低温结束、4800秒高温（+125℃）开始和5400秒高温保温结束时应力应变最大焊球的应力分布情况。 由图可见，在热循环加载工况下，焊点与BGA器件焊盘接合面边缘处始终是焊点的高应力区域。在热循环加载3900秒时（图11(a)），是一个从高温到低温降温的过程，因为各材料CET失配，以及钎料合金在低温时相对高温较高的弹性模量，焊点所受应力值较高，最大的应力值达到14.1Mpa。在4500秒（图11(b)），经过600秒的保温，因为恒温阶段的粘塑性变形带来的的应力松弛使得焊点中的应力大小有所下降，最大的应力值下降到约11.2Mpa。在4800秒时（图11(c)），因为受到相对显著的高温应力松弛及钎料较低的弹性模量综合影响，焊点内的应力大小骤降，最大应力值约为2.19Mpa，可以看出温度对焊点内的应力大小影响很大。在5400秒时（图11(d)），因为钎料的高温应力松弛现象，焊点内的应力大小下降到一个循环周期中的最低点，此时最大应力区域的应力值约为1.29Mpa。 a） -55℃保温开始 b) -55℃保温结束 c) +125℃保温开始 d) +125℃保温结束 图11热循环第三周期关键节点应力分布图 a) 等效应力-时间曲线 b) 等效塑性应变-时间曲线 图12热循环第三周期关键节点应力分布图 在应变应力分析之后，可利用ANSYS软件的LIST功能找出焊点内应力应变最大节点，然后使用时间后处理功能POST26中制图功能画出这个应力应变最大点的三个循环周期后应力应变随热循环加载时间的变化规律，可以得到曲线如图12所示。 从图12可以看出：随加载时间的变化，等效应力随温度循环呈相应周期变化，在温度从+125℃到-55℃的降温过程中，BGA钎料焊点中的应力变大，高应力发生在热循环过程的低温阶段。热循环过程中温度的循环变化导致焊点内部出现周期性变化的应力，塑性应变也随着温度周期性变化不断累积，并且循环周期之间应变的变化状态基本一致。 综上所述可知，在热循环过程中，钎料焊点上端外边缘与器件金属化端（上铜焊盘）接合面区域是应力应变最大的地方，属于焊点最脆弱的区域，焊点的疲劳裂纹将首先在这一区域出项和扩展；处于离BGA器件中心最远的关键节点与器件金属化端接合面最外边缘的应力应变最大，因此在热循环加载条件下，裂纹首先在这个位置产生，然后沿着焊球与器件金属化端（上铜焊盘）接合面发展，最终扩展到整个接合面，导致焊点失效。 3.3 热循环载荷作用下焊点的疲劳寿命预测 对于整个切条BGA焊点而言，处于角落位置焊点与器件金属化端结合区域是最容易破坏的位置，通过上述分析在可知在热循环加载情况下，焊点变形主要是由于材料间CET(热膨胀系数)不同产生的塑性变形，因此，本文寿命预测模型基于塑性变形为基础来对焊点疲劳寿命进行计算。根据图12分析结果，利用ANSYS的时间后处理器，可得到钎料焊点的应力应变回滞曲线，如图13所示的关键节点钎料在三个热循环周期后的应力-应变滞后环（应力-应变曲线）。 图13 95.5Sn3.8Ag0.7Cu关键节点应力-应变曲线 从图13可以看出，在热循环加载工况下，在最初几个周期内，应力-应变曲线基本能趋于稳定，稳定的应力应变滞后环与初始的滞后环在应力应变范围的量值上有差异，但其差异不是很大。 为简化应力应变分析过程，对各模型焊点均取第三个循环周期形成的滞后环的应力应变范围数据作为焊点热循环疲劳寿命预测的计算数据。 本文采用式7形式的Coffin-Manson方程来进行BGA焊点的疲劳寿命预测。钎料95.5Sn3.8Ag0.7Cu的疲劳韧性指数与疲劳韧性系数为0.891和13.9。利用图13得到的应变范围数据=0.0634，经Coffin-Manson方程计算得423cycle。 4 结束语 本文基于三维形态的对角切条BGA无铅焊点可靠性分析模型，采用统一粘塑性Anand模型描述了95.5Sn3.8Ag0.7Cu钎料合金的本构关系，对焊点在热循环加载条件下的力学行为进行了有限元分析与热疲劳寿命预测。此种方法也可用于工艺参数优化设计中，如讨论网板开孔尺寸、焊盘尺寸及焊料合金成分对焊点可靠性影响的比较，对电子产品的设计及生产制造有一定的指导意义。 预测焊点疲劳寿命需用到应力应变数据，在早期主要通过实验循环测试手段获得所需数据，可是随着电子产品越来越小，焊点尺寸也越来越小，要通过实验获得疲劳寿命计算所需应力应变数据非常困难，另外，在实验中只能测量出焊点表面或平均的应变值，而且必须制作适合的试件，实验设备还得满足很高的精度要求。在试验条件难以达到的情况下，用有限元仿真的方法代替可靠性试验方法来对焊点进行可靠性研究，或通过可靠性强化实验分析验证焊点可靠性，用有限元仿真的方法进行失效模式验证，并在综合加载下条件下进行寿命预测将成为焊点可靠性研究工作的发展趋势。