典型封裝結構熱疲勞壽命評估及試驗技術

童 軍，王鵬輝，黃 佳，鐘 嫄，陳志軍

（北京強度環境研究所，北京，100076）

0 引 言

武器系統的實戰化、信息化與儀器設備的環境適應性及可靠性密切相關。儀器設備采用的是傳統環境設計方法。不同于強度設計方法，它更依賴的是統計概率思想，不考慮失效模式和失效機理。隨著計算力學、測量手段及方法的發展，對儀器設備這種復雜系統的建模技術和測量技術有了較大的進步，基于強度的設計方法在國外儀器設備研制中有了較為成熟的應用。譬如基于失效物理的儀器設備壽命評估方法,國外開展了大量的研究工作。20世紀90年代,美國Rome實驗室的可靠性手冊給出了電路板固接點的各種失效模型[1]，開始對儀器設備的有限元建模方法進行研究。在此基礎上，于1992年對印制板的有限元建模進行總結，并提出了5種方案。21世紀初，對電子元器件在多種載荷環境下的響應進行了分析[2]。在試驗方面，國外在20世紀80年代就將無損檢測的光學方法應用于封裝電子板的微變形研究，主要分析熱力學可靠性問題[3]。20世紀90年代初，開始應用影子云紋法測量電子封裝（BGA、PCB、TBGA等）的熱形變[4]。

本文首先對電路板熱環境下電路板的應力分析方法進行了介紹，然后利用工程算法和有限元分析方法對常見的封裝管殼進行焊點壽命評估。最后設計了CQFP68封裝管殼的溫循試驗，驗證了計算方法的可行性。形成了一套較為完整的板級儀器設備熱環境下的壽命評估及試驗驗證技術，初步具備了典型板級儀器設備熱環境下的失效物理模式預測、應力壽命評估和試驗驗證能力。

1 熱載荷環境下的應力分析技術

1.1 工程算法

封裝結構的應力水平主要根據變形協調方程及平衡方程得出，典型的封裝結構變形示意[5]如圖1所示。

圖1 典型封裝結構變形協調示意Fig.1 Deformation Coordination of Typical Package Structure

器件的位移由兩部分變形疊加產生，第1部分是由于器件自身的熱膨脹造成的，第2部分是由于與其相連的焊點對其的作用力。當PCB的熱膨脹系數大于器件的熱膨脹系數時，產生拉變形，反之則產生壓變形。根據平衡方程可求出焊點的作用力：

式中αp，LG，AP，EP分別為PCB的熱膨脹系數、長度、截面積及彈性模量；Ps為焊點剪切力；hs為焊點高度；As為焊點面積；Gs為焊點剪切模量；αc為器件的熱膨脹系數；Ec為器件的彈性模量；Ac為器件的截面積；Δt為溫度變化。

求出作用力后進一步求得焊點的應力，然后根據S-N曲線來評估壽命。

1.2 有限元計算分析方法

以典型的CQFP68封裝為例，計算模型如圖2所示。結構具有對稱性，在有限元模型中施加兩個對稱邊界條件。所施加的溫循載荷為-60～150 ℃，升、降溫率為10 ℃/min，高溫保溫時間為30 min，低溫保溫時間為30 min。

圖2 有限元計算模型示意Fig.2 Schematic Diagram of Finite Element Calculation Model

由于各部件線膨脹能力不同產生了不協調變形，導致了結構的錫鉛焊料在溫循載荷作用下會產生較大的非彈性應變（主要為蠕變應變），最大的非彈性應變出現在邊角焊點處。錫鉛焊料隨著溫循次數的增加，結構應力水平會逐步增大，應變會出現蠕變累積現象。

2 熱載荷環境下的焊點應變全場測量技術

2.1 基于顯微數字圖像相關（Micro-DIC）的焊點熱應變全場測量技術

數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）是一種非接觸、無損、全場位移、應變測量方法。基于圖像相關原理，以試件表面散斑場作為變形載體，跟蹤同一個散斑點變形前后位置變化，獲得該點位移信息，通過計算所有散斑點得到試件表面全場位移，如圖3所示，DIC應變測量可由位移測量值求導得到。

圖3 DIC位移測量Fig.3 DIC Displacement Measurement

采用數字圖像相關的測量技術實現微尺度變形測量，試驗分2部分進行：

a）微納散斑制作：首先，在試件上待測區域表面涂上黑色顏料（試驗后可擦洗掉）作防反光處理；同時，采用微納米耐高溫氧化鈷和二氧化鋯顆粒均勻微力吸附在待測試件測量區域，完成微納散斑制作和防反光處理。

b）試驗裝置：考慮到試件待測區域較小，使用CCD相機配合顯微鏡頭采集試件受熱前后散斑圖像。試件加熱由高精度顯微熔點儀改裝的小型加熱爐完成。試驗裝置如圖4所示。

圖4 熱應變全場試驗裝置Fig.4 Thermal Strain Full Field Test Device

2.2 焊點應變全場測量技術

為了驗證有限元模型計算的準確性，采用微納米散斑技術對焊點處的熱應變進行測量。測量時，室溫低于20 ℃采集試件表面圖像作為參考圖像；升溫到150 ℃，每10 ℃采集試件表面散斑圖作為變形圖像。溫度為80 ℃時，焊點處X方向的應變云圖對比如圖5所示。不同溫度下，焊點處計算和試驗得到的拉、壓應變曲線如圖6所示。由圖6可知，計算和試驗的規律基本一致，驗證了計算模型的正確性和準確性。

圖5 溫度為80℃時焊點處X方向應變云圖比較Fig.5 Comparison of X-direction Strain Nephogram of Solder Joint at 80℃

圖6 焊點附近X方向應變對比曲線Fig.6 X-direction Strain Contrast Curve Near Solder Joint

續圖6

3 焊點壽命評估模型

目前已提出的焊點疲勞的主要模型[6～10]可分為：基于應力的疲勞模型、基于塑性應變的疲勞模型、基于蠕變應變的疲勞模型、基于能量的疲勞模型、基于損傷的疲勞模型和基于斷裂力學基礎的疲勞模型等。上述模型在一定范圍內反映焊點疲勞的規律。根據本文中焊點的失效模式及變形特征選取2個常用的壽命評估模型。

a）根據蠕變應變-壽命模型：式中Nf為疲勞壽命；εacc為循環一周所積累的等效蠕變應變；c為焊點材料參數，針對Sn63Pb37焊料可取為0.0513。

b）根據剪切應變-壽命模型：

4 熱疲勞試驗及焊點損傷破壞電鏡觀察結果

為了驗證本文所形成的理論分析、仿真計算及本構模型的正確性，設計了CQFP典型封裝電路板結構，并進行了熱疲勞試驗。電路板在溫箱中溫循一段時間后，從溫箱中取出，在電子顯微鏡下觀察裂紋情況。圖7為CQFP68封裝形式的電路板在-60～150 ℃溫度環境下40個循環后，電鏡下的檢測結果，由圖7可知，局部已經開始起皺，邊角處的焊點將要開裂，中間位置的焊點完好。圖8a為50次循環后的結果，有些引腳上已經出現了裂紋，中間位置依然完好。因此可以判斷，在-60～150 ℃的溫循載荷下，CQFP68封裝形式的陶瓷管殼壽命約為50次。圖8b為CQFP68封裝形式的電路板在-45～75 ℃溫度環境下220次循環后，電鏡下的檢測結果，由圖8b可知，已經有引腳出現裂紋，邊角大部分引腳已經起皺。

圖7 循環40次后電鏡檢測結果（CQFP68：-60～150℃）Fig.7 The Results Detected by Electron Microscope after 40 Cycles

圖8 CQFP68溫循后電鏡檢測結果Fig.8 Results of Electron Microscopic Examination of CQFP68 after Temperature Cycling

5 電路板熱疲勞壽命評估及試驗驗證結果統計分析

CQFP不同封裝形式的環境載荷下的壽命統計結果如表1所示。從表1中可以看出基于理論解析方法、有限元仿真分析方法所預測的典型板級設備壽命與試驗結果一致性較好。由于試驗與計算是選取的典型封裝結構，且一塊PCB板上只有一個元器件，結構相對簡單，因此計算的精度相對較高。同時，試驗和計算所模擬的載荷環境都是底周疲勞的情況，壽命分散性相對較小。對于文中這些方法在實際工程中的應用在后續工作中可以進一步驗證。

表1 典型電路板熱疲勞壽命評估及試驗驗證結果統計Tab.1 Thermal Fatigue Life Assessment of Typical Circuit Boards and Statistics of Test Results

6 結束語

本文借助解析法及有限元仿真數值法開展典型儀器設備結構的應力分析及壽命評估研究。利用力學專業中的平衡方程、幾何方程、本構方程及變形協調方程等開展了理論推導，獲取了焊點上的熱應力，并根據S-N曲線對結構壽命進行了評估。采用有限元方法對多種封裝形式的管殼進行了溫循載荷作用下的受力分析研究。針對采用光學測量方法存在微觀變形圖像難以采集、高對比度高粘附力微觀散斑難以制作、半球形焊點反光難以抑制等難題，本文發展了適用于微觀熱變形測量的Micro-DIC裝置、防反光顯微散斑的制作技術。通過在試件待測區域制作高對比度的防反光微尺度散斑，采用與顯微鏡頭結合的顯微DIC測試系統對線路板焊點附近區域微米尺度的變形進行了測量，驗證了計算模型的正確性和準確性。最后列舉了兩種常用的疲勞壽命模型，并對典型的封裝電路板熱環境下的疲勞壽命進行評估，通過試驗檢驗檢測手段驗證了上述分析方法。最終，掌握了典型儀器設備結構熱環境下的疲勞壽命評估及試驗驗證技術途徑。實現了具備開展典型儀器設備熱環境下的壽命評估和試驗驗證的能力。