LGA 焊點(diǎn)可靠性分析及熱疲勞壽命預(yù)測(cè)

金玲玥,孫海燕,周 婷,趙繼聰

(南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通 226019)

物聯(lián)網(wǎng)將人們帶入萬(wàn)物皆可互聯(lián)的時(shí)代,而窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)作為以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的一種新式通信方法,以其耗能低、覆蓋面廣、數(shù)據(jù)連接性能佳等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。隨著科技不斷發(fā)展,窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模越來(lái)越大,也使人們對(duì)承載其功能的封裝結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。將先進(jìn)系統(tǒng)級(jí)封裝(System in Package,SiP)技術(shù)應(yīng)用于窄帶物聯(lián)網(wǎng),可使得更多功能芯片能集成在一個(gè)封裝體內(nèi),實(shí)現(xiàn)小型化、多功能化的目標(biāo)[4]。

柵格陣列封裝(Land Grid Array,LGA)的底部沒(méi)有焊球,通過(guò)在印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上的焊盤刷焊膏進(jìn)行回流焊以完成連接[5]。該連接方式大幅縮短了互連距離,有效地提高了電氣性能,越來(lái)越多的便攜式電子產(chǎn)品選擇LGA 封裝形式。由于材料間熱膨脹系數(shù)的不匹配,在溫度或者功率循環(huán)過(guò)程中,熱應(yīng)力和塑性應(yīng)變會(huì)累積在焊點(diǎn)中,嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致焊點(diǎn)失效[6]。為使產(chǎn)品具有更高的可靠性,研究焊點(diǎn)在外部載荷作用下結(jié)構(gòu)和材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有較高的實(shí)際價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)LGA 焊點(diǎn)進(jìn)行了一系列的研究。Yang 等[7]對(duì)板級(jí)LGA 無(wú)鉛焊點(diǎn)進(jìn)行熱可靠分析,利用X-ray 設(shè)備檢測(cè),發(fā)現(xiàn)有機(jī)襯底上板級(jí)LGA 焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷下具有更高的可靠性;趙志斌等[8]使用Surface Evolver 軟件預(yù)測(cè)LGA 焊點(diǎn)形態(tài),得出PCB 焊盤的大小與開孔固定模板的厚度對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)的影響較大;徐婷婷[9]將二次焊接工藝應(yīng)用到LGA 器件,從有限元分析和試驗(yàn)角度驗(yàn)證了LGA 焊點(diǎn)二次焊接后,有效地降低焊點(diǎn)的空洞率,同時(shí)提高了焊點(diǎn)的熱可靠性,達(dá)到航天電子產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。本文基于一款LGA 封裝外形的NB-IoT 系統(tǒng)級(jí)封裝芯片,為提高其焊點(diǎn)可靠性,設(shè)計(jì)了一種焊料包裹焊盤的倒凹槽焊點(diǎn)形態(tài)。在-40～125 ℃的溫度循環(huán)條件下,根據(jù)修正的Coffin-Manson 方程進(jìn)行熱疲勞壽命預(yù)測(cè)[10]。最后,基于田口試驗(yàn)法建立L27(39)正交表,得到焊點(diǎn)可靠性最優(yōu)的組合參數(shù),為工程實(shí)踐提供了參考。

1 模型的建立

1.1 有限元建模

圖1 為NB-IoT 系統(tǒng)級(jí)封裝-PCB 實(shí)物圖,中間部位為NB-IoT 系統(tǒng)級(jí)封裝芯片,采用LGA 封裝外形與PCB 相連。圖2(a)為根據(jù)圖1 建立的有限元仿真模型,三維模型中包括PCB、銅焊盤、焊點(diǎn)、芯片、塑封料等,詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸見表1。圖2(b)和(c)分別為常規(guī)焊點(diǎn)和倒凹槽焊點(diǎn)模型,常規(guī)焊點(diǎn)是將焊料直接疊加在PCB 側(cè)焊盤上面,倒凹槽焊點(diǎn)是用焊料將PCB側(cè)焊盤包裹起來(lái),增大焊點(diǎn)與焊盤的接觸面積,提高焊點(diǎn)的熱可靠性。

圖1 NB-IoT 系統(tǒng)級(jí)封裝-PCB 實(shí)物圖Fig.1 Specimen of NB-IoT SiP-PCB

圖2 (a)封裝-PCB 仿真模型;(b)常規(guī)焊點(diǎn);(c)倒凹槽焊點(diǎn)Fig.2 (a) Simulation model of package-PCB;(b) Traditional solder joint;(c) Inverted groove solder joint

表1 封裝-PCB 的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of package-PCB

1.2 材料參數(shù)

表2 是各個(gè)組件的材料屬性[11],包括錫銀銅焊料(SAC305)、FR-4、G705、銅、塑封料。

表2 封裝-PCB 組件的材料參數(shù)[11]Tab.2 Material parameters of package-PCB[11]

SAC 系列合金材料的粘塑性在載荷(如溫度載荷)作用下表現(xiàn)明顯,Anand 模型在模擬試驗(yàn)中可以很好地描述粘塑性材料與應(yīng)變速率、溫度有關(guān)的變形行為。Anand 本構(gòu)模型的流動(dòng)方程表達(dá)式如下:

公式(1)與內(nèi)部變量的演化方程成為Anand 基本方程,其中內(nèi)部變量可描述為:

式中:h0為硬化/軟化常數(shù);a為硬化/軟化的應(yīng)變敏感值;s?為給定溫度和應(yīng)變速率下形變阻抗的飽和值;為形變阻抗飽和系數(shù);n為應(yīng)力-應(yīng)變率敏感度。

焊點(diǎn)材料為SAC305,使用Anand 模型描述焊料的粘塑性行為[12],如表3 所示。

表3 SAC305 的Anand 材料參數(shù)[12]Tab.3 Anand material parameters of SAC305[12]

1.3 加載條件

根據(jù)JESD22-A104C Temperature Cycling 中的條件G,設(shè)定溫度循環(huán)范圍為-40～125 ℃,加載曲線如圖3 所示,升、降溫速率均為16.5 ℃/min,高、低溫保持時(shí)間均為15 min。由于焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變?cè)诘? 個(gè)周期較為穩(wěn)定,因此有限元分析中選取4 個(gè)溫度循環(huán)周期[13]。

圖3 溫度循環(huán)曲線Fig.3 Temperature cycling curve

1.4 疲勞壽命預(yù)測(cè)模型

本文運(yùn)用修正的Coffin-Manson 模型評(píng)估LGA 焊點(diǎn)的熱疲勞壽命。通過(guò)引入單個(gè)循環(huán)累積的等效塑性應(yīng)變[14],建立等效塑性應(yīng)變與疲勞壽命的關(guān)系,得到焊點(diǎn)的疲勞壽命,其表達(dá)式為:

式中:Nf為焊點(diǎn)的疲勞壽命;Δγ為等效剪切應(yīng)變范圍;Δε為等效塑性應(yīng)變范圍;εf′為疲勞韌性系數(shù),值為0.325;c為疲勞擴(kuò)展系數(shù)。

2 焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞壽命的影響

2.1 常規(guī)焊點(diǎn)的熱疲勞壽命分析

對(duì)常規(guī)焊點(diǎn)模型進(jìn)行有限元分析,圖4 為常規(guī)焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變分布圖和等效應(yīng)力分布圖,最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.7108×10-2,最大等效應(yīng)力為49.71 MPa。從圖4 中發(fā)現(xiàn)等效塑性應(yīng)變和等效應(yīng)力最大的位置都位于邊角處焊點(diǎn)與PCB 側(cè)焊盤的連接處。本文將邊角處焊點(diǎn)看作關(guān)鍵焊點(diǎn),即圖中Max 標(biāo)志處。

圖4 (a)常規(guī)焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變分布云圖;(b)常規(guī)焊點(diǎn)等效應(yīng)力分布云圖Fig.4 (a) The equivalent plastic strain distribution diagram of the traditional solder joints;(b) The equivalent stress distribution diagram of the traditional solder joints

圖5 為常規(guī)焊點(diǎn)模型仿真得到的等效塑性應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖。從圖中分析,焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變隨溫度載荷呈現(xiàn)周期性變化。圖中第4 個(gè)周期累積的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.6732×10-2,根據(jù)公式(4)和(5)可得,常規(guī)焊點(diǎn)的熱疲勞壽命為578 個(gè)周期。

圖5 常規(guī)焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 The relationship between equivalent plastic strain and time of the traditional solder joints

進(jìn)一步將常規(guī)焊點(diǎn)模型對(duì)應(yīng)的樣品A 進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn),在500 個(gè)周期后取出,對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)進(jìn)行斷面,斷面圖如圖6(a)所示。為了對(duì)比驗(yàn)證,圖6(b)所示為關(guān)鍵焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變分布云圖,最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.7108×10-2,焊點(diǎn)的危險(xiǎn)位置位于左下角與PCB 側(cè)焊盤接觸處,與試驗(yàn)結(jié)果裂紋趨勢(shì)一致。

圖6 (a)常規(guī)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點(diǎn)的斷面圖(裂紋位置);(b)常規(guī)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變分布云圖Fig.6 (a) Cross section of the key traditional solder joint (Crack location);(b) The equivalent plastic strain distribution diagram of the key traditional solder joint

2.2 倒凹槽焊點(diǎn)的熱疲勞壽命分析

同理,圖7 為倒凹槽焊點(diǎn)模型仿真得到的等效塑性應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖,倒凹槽焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變趨勢(shì)與常規(guī)焊點(diǎn)類似,焊點(diǎn)在第4 個(gè)周期累積的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.4439×10-2,計(jì)算可得熱疲勞壽命為1201 個(gè)周期。

圖7 倒凹槽焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 The relationship between equivalent plastic strain and time of the inverted groove solder joints

將倒凹槽焊點(diǎn)模型對(duì)應(yīng)的樣品B 在1000 個(gè)周期后取出,同樣對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)進(jìn)行斷面,斷面圖如圖8(a)所示。對(duì)比圖8(b)倒凹槽焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變分布云圖可知,發(fā)現(xiàn)此焊點(diǎn)的斷面圖未有裂紋,對(duì)應(yīng)關(guān)鍵焊點(diǎn)的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.8109×10-2,比常規(guī)焊點(diǎn)降低了24%。證明倒凹槽焊點(diǎn)的熱可靠性優(yōu)于常規(guī)焊點(diǎn)。

圖8 (a)倒凹槽焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點(diǎn)的斷面圖;(b)倒凹槽焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變分布云圖Fig.8 (a) Cross section of the key inverted groove solder joint;(b) The equivalent plastic strain distribution diagram of the inverted groove solder joint

3 倒凹槽焊點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

3.1 單一因素分析

為更深入地研究封裝結(jié)構(gòu)、溫度載荷、材料屬性等方面因素對(duì)LGA 焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響,本文共選取13 個(gè)因素,如表4 所示,每個(gè)因素均選取3 個(gè)水平,其中水平2 代表初始倒凹槽焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表4 因素水平表Tab.4 The level of factors

采用單因素分析法,即一次只改變一個(gè)因素,研究其對(duì)焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響。當(dāng)此因素對(duì)焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響程度達(dá)20%時(shí),則定義該因素為顯著因素[15]。

由單因素分析法可得,在13 個(gè)因素中有9 個(gè)顯著因素,分別為:溫度循環(huán)范圍(A)、焊點(diǎn)的高度(C)、PCB 側(cè)焊盤的高度(E)、焊點(diǎn)的底面積(G)、PCB 側(cè)焊盤的底面積(I)、焊料的熱膨脹系數(shù)(J)、焊盤的熱膨脹系數(shù)(K)、塑封料的熱膨脹系數(shù)(L)、封裝側(cè)基板介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)(M)。

3.2 田口試驗(yàn)法

單因素法分析結(jié)果揭示顯著因素依舊較多。本文進(jìn)一步結(jié)合田口試驗(yàn)法[16-18],構(gòu)建正交表L27(39)對(duì)9個(gè)顯著因子進(jìn)行試驗(yàn),共27 組試驗(yàn)。本文試驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)是LGA 焊點(diǎn)的熱疲勞壽命[19],即希望響應(yīng)最大化,因此采用望大特性信噪比公式:

式中:n為相同參數(shù)條件下的試驗(yàn)次數(shù),試驗(yàn)采用的是有限元分析法,因此n取1;yi為試驗(yàn)值,即計(jì)算所得的熱疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示,由表5 可以看出,第5組試驗(yàn)的信噪比最大,此組的熱疲勞壽命最高,第15 組試驗(yàn)的信噪比最小,此組的熱疲勞壽命最低。

根據(jù)表5,將27 組試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)極差法計(jì)算得各個(gè)因素水平的平均信噪比和各因素對(duì)焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響等級(jí),分別如圖9 和表6 所示。從圖9 和表6中可得,影響焊點(diǎn)熱疲勞壽命各因子的排列順序?yàn)長(zhǎng)>A>E >C >K >M >G >J >I,相應(yīng)的參數(shù)組合是A1C1E2G3I2J2K2L3M3。

表6 信噪比響應(yīng)平均效應(yīng)Tab.6 Average effect respond for signal-to-noise ratio

圖9 信噪比響應(yīng)平均效應(yīng)Fig.9 Average effect respond for signal-to-noise ratio

表5 焊點(diǎn)疲勞壽命與信噪比試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 The experimental results of fatigue life and signal-to-noise ratios

基于上述試驗(yàn)所得的最佳參數(shù)組合,構(gòu)建最終的倒凹槽優(yōu)化模型。經(jīng)有限元分析得到優(yōu)化后倒凹槽焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系圖,如圖10 所示,從圖中可以得到優(yōu)化后倒凹槽焊點(diǎn)在第4 個(gè)周期累積的等效塑性應(yīng)變值為0.2147×10-2,相應(yīng)的熱疲勞壽命為4297 個(gè)周期。

圖10 優(yōu)化后倒凹槽焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系Fig.10 The relationship between equivalent strain and time of the optimal inverted grooved solder joints

圖11 進(jìn)一步給出了最佳參數(shù)組合下封裝的等效塑性應(yīng)變分布圖和等效應(yīng)力分布圖,其中最大塑性應(yīng)變?yōu)?.1015×10-2,最大等效應(yīng)力為44.465 MPa,相比傳統(tǒng)焊點(diǎn)分別降低了70.31%和10.55%,倒凹槽優(yōu)化模型有效地提高了LGA 封裝的熱可靠性。

圖11 (a)優(yōu)化后倒凹槽優(yōu)化焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變分布云圖;(b)優(yōu)化后倒凹槽優(yōu)化焊點(diǎn)的等效應(yīng)力分布云圖Fig.11 (a) The equivalent plastic strain distribution diagram of the optimal inverted groove solder joints;(b) The equivalent stress distribution diagram of the optimal inverted groove solder joints

4 結(jié)論

本文主要研究了LGA 焊點(diǎn)的熱疲勞可靠性,得出如下結(jié)論:

(1)溫度循環(huán)載荷下,焊點(diǎn)最大應(yīng)力處位于邊角處焊點(diǎn)與PCB 側(cè)焊盤接觸面,是最有可能失效的位置。

(2)設(shè)計(jì)了一種焊料包裹焊盤的倒凹槽焊點(diǎn)形態(tài),利用修正的Coffin-Manson 模型進(jìn)行熱疲勞壽命預(yù)測(cè)。仿真和試驗(yàn)證明倒凹槽焊點(diǎn)的熱疲勞壽命明顯高于常規(guī)焊點(diǎn)。

(3)對(duì)倒凹槽焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)參數(shù)組合下LGA 焊點(diǎn)的熱疲勞壽命為4297 個(gè)周期,是常規(guī)焊點(diǎn)的7.43 倍。