板級封裝焊點振動沖擊加速失效方法研究

劉 洋，張洪武，孫鳳蓮，周 真，秦 勇

(1.哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150030;2.哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，哈爾濱 150030)

隨著移動電子產品的迅猛發展，沖擊、振動等服役條件下可靠性問題頗受關注。沖擊、振動載荷作用均導致印制電路板(Printed Circuit Board，(簡稱PCB)產生的高速往復彎曲變形，使板級互聯微焊點受應力作用，該應力水平與載荷強度及頻率有關。與熱循環及熱沖擊下焊點所受緩慢應力作用相比，沖擊與振動載荷所致應力更易使焊點在短時間內產生裂紋并失效。尤其電子產業無鉛化后，廣泛推行的錫銀銅基(SnAgCu)無鉛釬料在高應變速率載荷下的可靠性低于SnPb釬料［1］，使沖擊振動載荷導致的微焊點可靠性問題進一步凸顯。有研究表明，由外力沖擊振動載荷引發的板級封裝焊點斷裂已成為電子設備最主要失效形式之一［2］。

關于微焊點在沖擊、振動載荷下的研究已有大量報道。針對板級跌落沖擊載荷特征，Yeh等［3-4］對跌落沖擊過程中PCB模態響應進行仿真及試驗研究，定出不同測試參數與約束條件對PCB動態響應的影響規律。劉芳等［5］在 Jedec［6］板級跌落沖擊標準基礎上重新設計測試板形狀及元件布局，提高了試驗失效數據的統計效率。Wong等［7］采用板級彎曲試驗提高了沖擊試驗的可重復性。Varghese等［8］用鋼球反復撞擊PCB板獲得沖擊載荷條件，分析了不同測試條件與失效模式的關系。王家楫等［9-10］通過熒光染色與電阻測量等方法分析了跌落試驗中焊點的失效特征，其內部由于沖擊作用萌生裂紋，裂紋隨沖擊作用周次的累積不斷擴展，直至完全斷裂。以上方法均通過試驗應力模擬焊點實際服役過程中的沖擊載荷，反復施加試驗應力，據焊點失效模式及失效周次統計結果評價其可靠性。但載荷的施加方式易導致該類方法重復性差，效率低。

板級振動載荷與沖擊載荷有相似性，二者均造成電路板高速彎曲形變，導致互聯焊點受往復應力作用。振動試驗通常采用隨機或簡諧兩種振動方式在不同帶寬頻率下進行激勵，產生板級試驗應力。焊點在試驗應力作用下的失效同樣表現出疲勞特征［11］。目前關于振動或沖擊作用下焊點的失效分析多采用電阻閾值監測結合失效組織分析方法進行。即試驗中焊點阻值超過某設定閾值判定為失效，對失效試樣進行組織截面分析，確定失效模式［12-13］。此類方法對獲取焊點失效過程數據及進一步明確疲勞行為等提供的信息不全面。

為提高板級沖擊可靠性試驗效率，獲取詳盡焊點失效過程信息，本文設計了板級振動沖擊加速失效試驗，采用定頻簡諧振動對PCB施加載荷，獲得跌落沖擊條件下的近似載荷強度，搭建虛擬儀器測量系統監測焊點阻值變化，量化焊點失效進程，為板級封裝焊點可靠性試驗提供備選方案。

1 振動沖擊加速失效試驗設計

本文所述振動沖擊與跌落試驗產生的跌落沖擊相對應，指用振動加載方法獲得近似于板級跌落沖擊試驗中的載荷作用，即振動方法獲得沖擊試驗效果。該振動沖擊載荷特點為PCB形變幅度大、速率快，具有板級沖擊試驗PCB形變特征。在振動沖擊載荷作用下，PCB產生高速往復彎曲變形，位于PCB與芯片間的互聯焊點將受到高水平、高速率應力的往復作用。本試驗對PCB施加正弦簡諧振動載荷獲得往復彎曲響應，通過控制振動條件獲得導致焊點失效的目標載荷。試驗裝置及測試板示意如圖1，振動控制由雙DSP并行處理器及Super控制系統組成，可精確完成振動信號采集、時域濾波、閉環計算、驅動信號產生等。試驗電路板幾何參數按Jedec板級可靠性標準設計，板厚1 mm。焊球材料為SnAgCu基無鉛釬料，直徑500 μm。將試驗板固定于振動臺表面，用定值扭力計將PCB四角固定扭矩設為45 N·cm。

圖1 振動臺及電路板組裝示意圖Fig.1 Vibration tester and PCB assembly layout

線路板高速彎曲條件下的焊點失效壽命主要決定于其所受的剝離應力［14-15］，而剝離應力依賴于PCB的形變情況，因此可選取PCB形變作為試驗應力參考指標。本文選取文獻［6］中PCB所受沖擊作為目標載荷強度，調節振動試驗條件以獲得與跌落沖擊相近的載荷，得到目標試驗應力。將振動沖擊中PCB應變值作為載荷強度指標，采用NI-9237高速電橋模塊采集跌落碰撞和振動沖擊中PCB的動態應變，對比兩試驗應變數據差異，從頻率和強度兩方面調整振動試驗邊界條件，貼近并達到目標載荷。

2 焊點失效監測

焊點在振動沖擊試驗中受往復應力作用，經過一定次數循環后將產生內部裂紋，裂紋可破壞焊點連接面的完整性，使焊點電阻值升高，見圖2。由焊點阻值變化可得焊點失效進程。本文根據此原理設計焊點失效監測系統，對振動沖擊試驗中的焊點進行失效進程監測與采集。因振動沖擊作用下焊點所受載荷變化較快，導致焊點阻值變化迅速，需用高速數據采集裝置記錄焊點阻值變化。故采用NI-Compact DAQ平臺配合NI-9239高速電壓模塊搭建虛擬儀器測量系統，設計分壓電路對焊點電阻值進行監測采集。

圖2 PCB彎曲條件下焊點失效示意圖Fig.2 Failure mechanics sketch of solder interconnects subjected to PCB bending

圖3 焊點失效監測界面Fig.3 Monitoring interface of solder failure

本試驗用芯片雛菊鏈焊點初始阻值為370～440 μΩ，隨著焊點受應力作用產生裂紋，裂紋的產生及擴展導致焊點阻值不斷增大。圖3為焊點失效數據采集系統測量界面。系統監測到的焊點阻值變化可有效反映焊點在交變應力作用下裂紋產生情況:焊點受拉時，裂紋張開焊點導通面積減少，焊點阻值增加;焊點受壓時裂紋閉合，導通面積增加，焊點阻值恢復。

3 試驗結果及分析

依照Jedec板級跌落標準［6］進行跌落試驗，對跌落沖擊中的PCB應變進行測量，將測得應變數據進行傅里葉變換，結合有限元模態分析得到PCB在沖擊過程中載荷頻率特性(圖4)，結果顯示沖擊作用下PCB中心區域形變主要由一階固有頻率貢獻，高階頻率對形變貢獻較少。一階固有頻率為200 Hz，該模態下形變主要沿電路板長度方向。因此為獲得類似載荷，振動試驗采用200 Hz定頻振動，既可獲得與沖擊作用近似的形變周期，亦可在較小能量下獲得較大PCB形變。振動加速度峰值選取以達到跌落沖擊過程PCB形變峰值為目標。本試驗采用線路板結構及材料，振動正弦加速度峰值調整為20 g(g=9.8 m/s2)時，振動穩定后應變峰值與跌落碰撞中應變峰值相近，如圖5所示。在振動載荷作用過程中，PCB形變不斷增大，直至達到平衡狀態，該平衡是持續的加速度載荷、往復PCB形變及阻尼效應等多因素共同作用結果。

圖4 跌落沖擊中PCB頻率特征Fig.4 Frequency feature of PCB response during drop impact

圖5 振動與跌落兩種試驗中PCB應變對比Fig.5 PCB strain comparison of vibration shock and drop impact

由于PCB所受載荷作用頻率與其一階固有頻率較近，導致PCB以接近極大振幅振動。因此在振動頻率200 Hz、加速度峰值20 g條件下，兩試驗中PCB形變幅度相似性較好。由于焊點失效壽命很大程度上取決于所受最大剝離應力，而最大剝離應力僅在PCB峰值形變周期產生，且應力水平依賴于PCB彎曲形變，因此獲得近似PCB峰值形變波形即可近似保證焊點受相近失效試驗應力。與跌落沖擊試驗中反復跌落及阻尼效應相比，振動沖擊試驗中每個振動周期均可獲得一次跌落試驗中峰值載荷產生的試驗應力。故振動沖擊試驗作為加速失效試驗載荷更穩定，效率更高。

對振動加速失效試驗中焊點進行阻值監測，同步進行PCB應變測量，結果如圖6所示。焊點內部在試驗初始階段未產生宏觀裂紋，經22.5 s后焊點阻值發生變化。結合同步應變測量結果顯示，焊點阻值與PCB應變變化周期相同。焊點內裂紋隨PCB形變周期迅速擴展，焊點阻值在0.2 s內增大80%，斷裂面積達到焊點截面面積的40%以上。主因為振動載荷作用強度較高，頻率較快，初始裂紋在短時間內受到連續多次高水平載荷作用而迅速擴展。圖7為產生局部裂紋焊點的微觀組織。可見裂紋產生于焊點結構界面面積最小區域，該區域應力集中最嚴重。

圖6 焊點阻值變化與PCB應變響應同步監測Fig.6 Solder resistance and PCB response monitoring

圖7 焊點內局部裂紋Fig.7 Solder cross section with partial crack

對采集的電阻數據進行處理得到振動試驗中焊點斷裂百分率變化如圖8所示。振動加載條件下，焊點失效過程可在數十秒內完成，作為加速失效試驗效率較高。失效過程量化可顯示焊點在振動試驗中的失效進程。據裂紋擴展行為特征可將整個失效過程分為四個階段:無宏觀裂紋階段;裂紋形成并快速擴展階段;裂紋穩態擴展階段;完全失效階段。其中第一、第三階段時間相對較長。初始階段，振動產生的交變應力使焊點應力集中區域中組織缺陷損傷逐步累積，待損傷累積使局部區域內應力達到裂紋產生的臨界條件，裂紋開始產生并擴展。由于載荷高強度高頻率作用，斷裂面積迅速擴展至整個焊點截面面積的一半左右。此后由于裂紋產生而導致焊點結構約束變化，裂紋前端應力不再滿足迅速擴展條件，焊點將經歷一個相對較穩定的裂紋穩態擴展階段，直至焊點完全斷裂。據以上載荷分析與失效監測結果，本試驗通過振動加載方法使加速試驗應力達到跌落碰撞中的目標應力峰值水平，且在單位時間內增加了試驗應力作用頻次，提高了加速試驗效率。失效監測表明焊點在振動載荷作用下表現出典型的疲勞失效特征。

圖8 焊點失效進程量化Fig.8 Solder interconnects failure process

4 結論

(1)設計了板級振動沖擊加速失效試驗。將PCB應變作為試驗載荷指標，通過調節振動加載條件獲得了板級跌落碰撞中的峰值試驗應力。利用高速數據采集系統監測焊點失效過程。

(2)結果表明振動沖擊加速失效試驗在維持焊點疲勞失效特征不變基礎上有效加速了焊點失效進程，提高了板級跌落沖擊試驗效率。量化的焊點失效進程進一步明確了焊點失效行為特征，也為失效時間尺度換算及焊點壽命模型建立提供參考數據。

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