計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)

1、焊點(diǎn)可靠性性試驗(yàn)的計(jì)計(jì)算機(jī)模擬擬本文介紹，與與實(shí)際的溫溫度循環(huán)試試驗(yàn)相比，計(jì)計(jì)算機(jī)模擬擬提供速度度與成本節(jié)節(jié)約。在微電電子工業(yè)中中，一個(gè)封封裝的可靠靠性一般是是通過(guò)其焊焊點(diǎn)的完整整性來(lái)評(píng)估估的。錫鉛鉛共晶與近近共晶焊錫錫合金是在在電子封裝裝中最常用用的接合材材料，提供供電氣與溫溫度的互聯(lián)聯(lián)，以及機(jī)機(jī)械的支持持。由于元元件內(nèi)部散散熱和環(huán)境境溫度的變變化而產(chǎn)生生的溫度波波動(dòng)，加上上焊錫與封封裝材料之之間熱膨脹脹系統(tǒng)(CCTE)的的不匹配，造造成焊接點(diǎn)點(diǎn)的熱機(jī)疲疲勞。不斷斷的損壞最最終導(dǎo)致元元件的失效效。在工業(yè)業(yè)中，決定定失效循環(huán)環(huán)次數(shù)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)方法是是在一個(gè)溫溫室內(nèi)進(jìn)行行高度加速速的應(yīng)力試試驗(yàn)。溫度

2、度循環(huán)過(guò)程程是昂貴和和費(fèi)時(shí)的，但但是計(jì)算機(jī)機(jī)模擬是這這些問(wèn)題的的很好的替替代方案。模擬可能能對(duì)新的封封裝設(shè)計(jì)甚甚至更為有有利，因?yàn)闉樵驮囼?yàn)驗(yàn)載體的制制造成本非非常高。本本文的目的的是要顯示示，通過(guò)在在一個(gè)商業(yè)業(yè)有限單元元(finnite elemment)代碼中使使用一種新新的插入式式專門用途途的材料子子程序，試試驗(yàn)可以在在計(jì)算機(jī)屏屏幕上模擬擬。建模與試驗(yàn)驗(yàn)寧可通通過(guò)計(jì)算程程序試驗(yàn)來(lái)來(lái)決定焊點(diǎn)點(diǎn)可靠性的的其中一個(gè)個(gè)理由是缺缺乏已驗(yàn)證證的專用材材料模型和和軟件包。例如，市市場(chǎng)上現(xiàn)有有的所有主主要的商業(yè)業(yè)有限單元元分析代碼碼都對(duì)應(yīng)力力分析有效效，但是都都缺乏對(duì)焊焊點(diǎn)以統(tǒng)一一的方式進(jìn)進(jìn)行循環(huán)失失效

3、分析的的能力。該該過(guò)程要求求一個(gè)基于于損傷機(jī)制制理論的專專門材料模模型和在實(shí)實(shí)際焊點(diǎn)水水平上的驗(yàn)驗(yàn)證。可以以肯定的是是，所有主主要的有限限單元分析析代碼都允允許用戶實(shí)實(shí)施其自己己的用戶定定義的插入入式材料子子程序。直到現(xiàn)現(xiàn)在，還不不可能測(cè)量量疲勞試驗(yàn)驗(yàn)期間在焊焊點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)，這這對(duì)確認(rèn)材材料模型是是必須的。在Bufffaloo大學(xué)的電電子封裝實(shí)實(shí)驗(yàn)室(UUB-EPPL)開發(fā)發(fā)的一個(gè)MMoir干涉測(cè)量量系統(tǒng)允許許在疲勞試試驗(yàn)到失效效期間的應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試試?；跓釤崃W(xué)原理理的疲勞壽壽命預(yù)測(cè)模模型也已經(jīng)經(jīng)在UB-EPL開開發(fā)出來(lái)，并并用于實(shí)際際的BGAA封裝可靠靠性試驗(yàn)的的計(jì)算機(jī)模模擬。在焊焊點(diǎn)內(nèi)

4、的損損傷，相當(dāng)當(dāng)于在循環(huán)環(huán)熱機(jī)負(fù)載載下材料的的退化，用用一個(gè)熱力力學(xué)構(gòu)架來(lái)來(lái)量化。損損傷，作為為一個(gè)內(nèi)部部狀態(tài)變量量，結(jié)合一一個(gè)基于懦懦變的構(gòu)造造模型，用用于描述焊焊點(diǎn)的反映映。該模型型通過(guò)其用用戶定義的的子程序?qū)崒?shí)施到一個(gè)個(gè)商業(yè)有限限單元包中中。預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的的可靠性焊接點(diǎn)點(diǎn)的疲勞壽壽命預(yù)測(cè)對(duì)對(duì)電子封裝裝的可靠性性評(píng)估是關(guān)關(guān)鍵的。在在微電子工工業(yè)中預(yù)測(cè)測(cè)失效循環(huán)環(huán)次數(shù)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)方法是是基于使用用通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)得出的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式式。如果使使用一個(gè)分分析方法，通通過(guò)都是使使用諸如CCoffiin-Maansonn(C-MM)這樣的的經(jīng)驗(yàn)曲線線。通常，使使用接合元元件之間的的CTE差差別，計(jì)算算出焊接點(diǎn)點(diǎn)內(nèi)

5、最大的的預(yù)測(cè)彈性性與塑性應(yīng)應(yīng)力。大多數(shù)數(shù)時(shí)間，使使用塑性應(yīng)應(yīng)變值，是是用C-MM曲線來(lái)預(yù)預(yù)測(cè)焊接點(diǎn)點(diǎn)的疲勞壽壽命。通過(guò)過(guò)研究者已已經(jīng)顯示，這這個(gè)方法對(duì)對(duì)BGA封封裝所產(chǎn)生生的結(jié)果是是保守的。例如，ZZhao et aal.已經(jīng)經(jīng)從冶金學(xué)學(xué)上證明，CC-M方法法不能用于于微結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)化的材料料，如錫鉛鉛焊錫合金金1,2。其其理由是CC-M方法法沒(méi)有考慮慮在疲勞期期間材料特特性的任何何變化。CC-M方法法假設(shè)，在在每一個(gè)熱熱循環(huán)中所所經(jīng)歷的塑塑性應(yīng)變?cè)谠谡麄€(gè)熱循循環(huán)過(guò)程中中是保持不不變的。事事實(shí)上，焊焊接點(diǎn)所經(jīng)經(jīng)歷的實(shí)際際塑性應(yīng)變變?cè)诿總€(gè)循循環(huán)都由于于微結(jié)構(gòu)變變粗糙而減減少。因此此，C-MM方法大大

6、大地低估了了焊接點(diǎn)的的疲勞壽命命。在本研研究中使用用一個(gè)損傷傷進(jìn)化函數(shù)數(shù)來(lái)量化焊焊接點(diǎn)的退退化。損傷傷進(jìn)化函數(shù)數(shù)是基于熱熱力學(xué)的第第二定律，并并使用熵作作為損傷度度量。Baasaraan和Yaan已經(jīng)證證明，作為為一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)失調(diào)度量量的熵可用用作固體力力學(xué)的損傷傷度量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)3。損傷進(jìn)進(jìn)化結(jié)合到到一個(gè)統(tǒng)一一的粘塑結(jié)結(jié)構(gòu)模型中中(在下面面描述)，用用來(lái)描述在在熱機(jī)負(fù)載載下焊接點(diǎn)點(diǎn)的循環(huán)疲疲勞特性。構(gòu)造模型試驗(yàn)結(jié)結(jié)果顯示，相相對(duì)于懦變變或粘塑應(yīng)應(yīng)變，塑性性應(yīng)變對(duì)低低循環(huán)疲勞勞壽命的影影響是可能能忽略的。依賴時(shí)間間的懦變形形支配著焊焊接點(diǎn)的低低循環(huán)疲勞勞壽命1,2。這是是因?yàn)楣簿Ьc近共晶晶焊錫合金金

7、一般預(yù)計(jì)計(jì)由于其低低熔點(diǎn)(1183CC)在高同同系溫度下下工作。在在高同系溫溫度下，材材料經(jīng)歷很很大的懦性性變形。因因此一個(gè)熱熱粘塑結(jié)構(gòu)構(gòu)模型對(duì)于于建立焊接接性能模型型是必要的的。為了建建立近共晶晶焊錫的第第一、第二二和第三懦懦變階段模模型，需要要懦變率函函數(shù)。在高高同系溫度度下的大多多數(shù)金屬與與合金的穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)塑塑性變形的的動(dòng)力學(xué)可可用Dorrn懦變方方程來(lái)描述述4。Kasshyapp與Murrty已經(jīng)經(jīng)從實(shí)驗(yàn)上上證明，顆顆粒大小可可以重大影影響錫鉛焊焊錫合金的的懦變特性性5?；谒麄兊膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)結(jié)果，他們們提出了一一個(gè)懦變定定律，修正正Dornn方程。應(yīng)應(yīng)變率描述述為溫度、擴(kuò)散率和和

8、諸如Yooung的的模數(shù)與顆顆粒大小等等材料參數(shù)數(shù)的函數(shù)。活性能量量隨溫度而而變化，基基于已發(fā)布布的懦變數(shù)數(shù)據(jù)而決定定。類似地地，顆粒大大小與應(yīng)變變率成指數(shù)數(shù)關(guān)系，試試驗(yàn)上確定定的顆粒指指數(shù)。為了模模擬材料的的循環(huán)疲勞勞特性，需需要一個(gè)逐逐步退化的的模型。損損傷機(jī)制為為我們提供供一個(gè)開發(fā)發(fā)損傷進(jìn)化化模型的基基本框架。將一個(gè)內(nèi)內(nèi)部損傷變變量引入應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)關(guān)系中。隨隨著焊錫退退化的增加加，損傷變變量的值由由零上升到到一，即代代表完全失失效。Baassraan和Yaan已經(jīng)證證明，熵是是最準(zhǔn)確和和最簡(jiǎn)單的的焊點(diǎn)損傷傷度量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)3。該熵可可以描述為為失調(diào)參數(shù)數(shù)。失調(diào)參參數(shù)的變化化產(chǎn)生焊接接點(diǎn)的退化化

9、。有關(guān)失失效機(jī)制模模型的更詳詳細(xì)情況可可以查閱參參考資料33,6。使用前前面簡(jiǎn)要敘敘述的基于于構(gòu)造模型型的損傷機(jī)機(jī)制，消除除了需要估估算失效循循環(huán)數(shù)的兩兩步過(guò)程，即即進(jìn)行失效效分析的傳傳統(tǒng)方法。有限單元元分析通常常計(jì)算一個(gè)個(gè)溫度循環(huán)環(huán)的塑性應(yīng)應(yīng)變，然后后使用C-M曲線預(yù)預(yù)測(cè)該塑性性應(yīng)變值的的疲勞壽命命。上面提提出的模型型直接產(chǎn)生生每個(gè)焊接接點(diǎn)的疲勞勞壽命，以以及提供對(duì)對(duì)發(fā)生在焊焊點(diǎn)內(nèi)的退退化過(guò)程的的視覺(jué)顯示示。有限單元模模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室試驗(yàn)通過(guò)基基于損傷機(jī)機(jī)制的模型型進(jìn)行了對(duì)對(duì)簡(jiǎn)單循環(huán)環(huán)剪切試驗(yàn)驗(yàn)的幾個(gè)數(shù)數(shù)字模擬，并并比較Pbb40/SSn60焊焊接點(diǎn)的疲疲勞試驗(yàn)結(jié)結(jié)果。Soolomoon在對(duì)稱

10、稱位移控制制的條件下下，以不同同的塑性應(yīng)應(yīng)變范圍，進(jìn)進(jìn)行了對(duì)PPb40/Sn600焊接點(diǎn)的的循環(huán)簡(jiǎn)單單剪切試驗(yàn)驗(yàn)9。作者報(bào)報(bào)告了對(duì)每每一個(gè)塑性性應(yīng)變范圍圍的失效循循環(huán)次數(shù)，將將失效定義義為在最終終應(yīng)力下990%的負(fù)負(fù)載下降。圖一顯示示Soloomon的的試驗(yàn)數(shù)據(jù)據(jù)與有限單單元模擬之之間的失效效循環(huán)次數(shù)數(shù)的比較。也對(duì)經(jīng)經(jīng)受熱循環(huán)環(huán)的一個(gè)實(shí)實(shí)際BGAA封裝的PPb37/Sn633焊接點(diǎn)進(jìn)進(jìn)行了計(jì)算算機(jī)模擬。試驗(yàn)的BBGA封裝裝橫截面如如圖二所示示。FR-4印刷電電路板和聚聚合材料的的連接器層層通過(guò)Pbb37/SSn63焊焊接點(diǎn)連接接。由于結(jié)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱稱性，模擬擬只畫出封封裝的一半半和取網(wǎng)格格。圖一

11、、疲勞勞壽命比較較(Sollomonn的試驗(yàn)與與FEM)圖二、BGGA封裝的的橫截面圖三、一個(gè)個(gè)周期的熱熱負(fù)載曲線線為了證證實(shí)該模型型和對(duì)有限限單元程序序的實(shí)施，進(jìn)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)。一個(gè)實(shí)實(shí)際的BGGA封裝在在SupeerAGRREE的溫溫度老化室室進(jìn)行熱循循環(huán)，塑性性應(yīng)變場(chǎng)通通過(guò)高靈敏敏度的Mooir干干涉測(cè)量方方法測(cè)量。使用有限限單元程序序，和已實(shí)實(shí)施的構(gòu)造造模型，對(duì)對(duì)相同的熱熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)進(jìn)行了模模擬和比較較結(jié)果。圖三顯顯示該BGGA封裝經(jīng)經(jīng)受的熱負(fù)負(fù)載曲線。使用SuuperAAGREEE的溫度老老化室進(jìn)行行熱循環(huán)。試驗(yàn)樣品品定期地取取出，使用用Moirr干涉測(cè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)測(cè)量無(wú)彈性性應(yīng)變的累累

12、積。該試試驗(yàn)的詳情情在Zhaao ett al中中給出1,2。在試試驗(yàn)與有限限單元分析析(FEAA)模擬期期間，封裝裝固定在中中間FR-4 PCCB層的兩兩端。在有有限單元模模擬中，F(xiàn)FR-4 PCB和和聚合層被被認(rèn)為是線線性彈性的的，焊接點(diǎn)點(diǎn)隨著損傷傷的進(jìn)化被被認(rèn)為是非非線性彈性性-粘塑性性的。圖四、在22與4個(gè)熱熱循環(huán)之后后的剪切應(yīng)應(yīng)力分布(使用了損損傷模型)圖五、在66與8個(gè)熱熱循環(huán)之后后的剪切應(yīng)應(yīng)力分布(使用了損損傷模型)圖六、在110個(gè)熱循循環(huán)之后的的剪切應(yīng)力力分布(使使用了損傷傷模型)由于在在FR-44 PCBB與聚合層層之間的溫溫度膨脹系系數(shù)(CTTE)的不不匹配，焊焊接點(diǎn)內(nèi)的的

13、熱誘發(fā)的的剪切應(yīng)力力是周期性性的，造成成焊接點(diǎn)的的熱機(jī)械疲疲勞。試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果顯示示，剪切應(yīng)應(yīng)力支配在在焊點(diǎn)中懦懦變疲勞。圖四至圖圖六顯示剪剪切應(yīng)力的的數(shù)字模擬擬。事實(shí)上上，試驗(yàn)到到失效可能能要求1,000次次以上的循循環(huán)?？墒鞘牵瑢?duì)于證證實(shí)計(jì)算機(jī)機(jī)模型的目目的，模擬擬十個(gè)循環(huán)環(huán)已經(jīng)足夠夠了。焊點(diǎn)點(diǎn)的剪切應(yīng)應(yīng)力的有限限單元分析析(FEAA)結(jié)果與與Moirr干涉測(cè)測(cè)量的試驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很很好的相關(guān)關(guān)性。在試試驗(yàn)期間，最最高的應(yīng)力力總是在焊焊接點(diǎn)一上上觀察到。因此從FFEA和MMoir干涉測(cè)量量方法所得得到的該焊焊點(diǎn)的無(wú)彈彈性應(yīng)力積積累在圖七七中繪出。應(yīng)該指出出的是，在在我們的試試驗(yàn)與分析析中，觀察察到

14、塑性應(yīng)應(yīng)力的累積積從一個(gè)循循環(huán)到另一一個(gè)循環(huán)不不是線性的的。隨著焊焊錫的粗化化，在每個(gè)個(gè)循環(huán)中的的塑性應(yīng)力力累積減少少。在另一一方面，使使用C-MM方法，假假設(shè)塑性應(yīng)應(yīng)力累積是是線性的。因此，事事實(shí)上，從從實(shí)驗(yàn)室試試驗(yàn)所獲得得的BGAA封裝的疲疲勞壽命通通常是比基基于Cofffin-Mansson的模模型所預(yù)測(cè)測(cè)的較長(zhǎng)。圖七、有現(xiàn)現(xiàn)單元模擬擬結(jié)果與MMoir干涉測(cè)量量試驗(yàn)結(jié)果果比較圖九、在十十個(gè)熱循環(huán)環(huán)之下最大大損傷的進(jìn)進(jìn)化(使用用了損傷模模型)圖八、在十十次熱循環(huán)環(huán)之后損傷傷的分布(使用了損損傷模型)在焊點(diǎn)點(diǎn)之中損傷傷的分布模模擬如圖八八所示。損損傷分布提提供設(shè)計(jì)優(yōu)優(yōu)化和可靠靠性的重要要信息，因因?yàn)樗捎糜脕?lái)預(yù)測(cè)封封裝在哪里里何時(shí)失效效。圖九顯顯示關(guān)鍵焊焊接點(diǎn)的損損傷進(jìn)化。損傷進(jìn)化化是在疲勞勞負(fù)載下材材料退化的的內(nèi)在反映映，而不只只是間接的的度量，如如電氣開路路。使用損損傷進(jìn)化函函數(shù)，可以以作出精確確的疲勞壽壽命預(yù)測(cè)，并并且借助于于計(jì)算機(jī)模模擬可以對(duì)對(duì)每個(gè)焊接接點(diǎn)預(yù)測(cè)材材料退化的的進(jìn)度。結(jié)論一個(gè)具具有損傷偶偶合粘塑結(jié)結(jié)構(gòu)模型的的計(jì)算工具具已經(jīng)提出出，并通過(guò)過(guò)一個(gè)用戶戶定義的材材料子程序序?qū)嵤┰谟杏邢迒卧涇浖?。使用?jì)算算機(jī)模