板級(jí)封裝焊點(diǎn)振動(dòng)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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150030;2.哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

隨著移動(dòng)電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，沖擊、振動(dòng)等服役條件下可靠性問(wèn)題頗受關(guān)注。沖擊、振動(dòng)載荷作用均導(dǎo)致印制電路板(Printed Circuit Board，(簡(jiǎn)稱(chēng)PCB)產(chǎn)生的高速往復(fù)彎曲變形，使板級(jí)互聯(lián)微焊點(diǎn)受應(yīng)力作用，該應(yīng)力水平與載荷強(qiáng)度及頻率有關(guān)。與熱循環(huán)及熱沖擊下焊點(diǎn)所受緩慢應(yīng)力作用相比，沖擊與振動(dòng)載荷所致應(yīng)力更易使焊點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生裂紋并失效。尤其電子產(chǎn)業(yè)無(wú)鉛化后，廣泛推行的錫銀銅基(SnAgCu)無(wú)鉛釬料在高應(yīng)變速率載荷下的可靠性低于SnPb釬料［1］，使沖擊振動(dòng)載荷導(dǎo)致的微焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題進(jìn)一步凸顯。有研究表明，由外力沖擊振動(dòng)載荷引發(fā)的板級(jí)封裝焊點(diǎn)斷裂已成為電子設(shè)備最主要失效形式之一［2］。

關(guān)于微焊點(diǎn)在沖擊、振動(dòng)載荷下的研究已有大量報(bào)道。針對(duì)板級(jí)跌落沖擊載荷特征，Yeh等［3-4］對(duì)跌落沖擊過(guò)程中PCB模態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真及試驗(yàn)研究，定出不同測(cè)試參數(shù)與約束條件對(duì)PCB動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。劉芳等［5］在 Jedec［6］板級(jí)跌落沖擊標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)測(cè)試板形狀及元件布局，提高了試驗(yàn)失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)效率。Wong等［7］采用板級(jí)彎曲試驗(yàn)提高了沖擊試驗(yàn)的可重復(fù)性。Varghese等［8］用鋼球反復(fù)撞擊PCB板獲得沖擊載荷條件，分析了不同測(cè)試條件與失效模式的關(guān)系。王家楫等［9-10］通過(guò)熒光染色與電阻測(cè)量等方法分析了跌落試驗(yàn)中焊點(diǎn)的失效特征，其內(nèi)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(kuò)展，直至完全斷裂。以上方法均通過(guò)試驗(yàn)應(yīng)力模擬焊點(diǎn)實(shí)際服役過(guò)程中的沖擊載荷，反復(fù)施加試驗(yàn)應(yīng)力，據(jù)焊點(diǎn)失效模式及失效周次統(tǒng)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)其可靠性。但載荷的施加方式易導(dǎo)致該類(lèi)方法重復(fù)性差，效率低。

板級(jí)振動(dòng)載荷與沖擊載荷有相似性，二者均造成電路板高速?gòu)澢巫?，?dǎo)致互聯(lián)焊點(diǎn)受往復(fù)應(yīng)力作用。振動(dòng)試驗(yàn)通常采用隨機(jī)或簡(jiǎn)諧兩種振動(dòng)方式在不同帶寬頻率下進(jìn)行激勵(lì)，產(chǎn)生板級(jí)試驗(yàn)應(yīng)力。焊點(diǎn)在試驗(yàn)應(yīng)力作用下的失效同樣表現(xiàn)出疲勞特征［11］。目前關(guān)于振動(dòng)或沖擊作用下焊點(diǎn)的失效分析多采用電阻閾值監(jiān)測(cè)結(jié)合失效組織分析方法進(jìn)行。即試驗(yàn)中焊點(diǎn)阻值超過(guò)某設(shè)定閾值判定為失效，對(duì)失效試樣進(jìn)行組織截面分析，確定失效模式［12-13］。此類(lèi)方法對(duì)獲取焊點(diǎn)失效過(guò)程數(shù)據(jù)及進(jìn)一步明確疲勞行為等提供的信息不全面。

為提高板級(jí)沖擊可靠性試驗(yàn)效率，獲取詳盡焊點(diǎn)失效過(guò)程信息，本文設(shè)計(jì)了板級(jí)振動(dòng)沖擊加速失效試驗(yàn)，采用定頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)對(duì)PCB施加載荷，獲得跌落沖擊條件下的近似載荷強(qiáng)度，搭建虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)阻值變化，量化焊點(diǎn)失效進(jìn)程，為板級(jí)封裝焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)提供備選方案。

1 振動(dòng)沖擊加速失效試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文所述振動(dòng)沖擊與跌落試驗(yàn)產(chǎn)生的跌落沖擊相對(duì)應(yīng)，指用振動(dòng)加載方法獲得近似于板級(jí)跌落沖擊試驗(yàn)中的載荷作用，即振動(dòng)方法獲得沖擊試驗(yàn)效果。該振動(dòng)沖擊載荷特點(diǎn)為PCB形變幅度大、速率快，具有板級(jí)沖擊試驗(yàn)PCB形變特征。在振動(dòng)沖擊載荷作用下，PCB產(chǎn)生高速往復(fù)彎曲變形，位于PCB與芯片間的互聯(lián)焊點(diǎn)將受到高水平、高速率應(yīng)力的往復(fù)作用。本試驗(yàn)對(duì)PCB施加正弦簡(jiǎn)諧振動(dòng)載荷獲得往復(fù)彎曲響應(yīng)，通過(guò)控制振動(dòng)條件獲得導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的目標(biāo)載荷。試驗(yàn)裝置及測(cè)試板示意如圖1，振動(dòng)控制由雙DSP并行處理器及Super控制系統(tǒng)組成，可精確完成振動(dòng)信號(hào)采集、時(shí)域?yàn)V波、閉環(huán)計(jì)算、驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生等。試驗(yàn)電路板幾何參數(shù)按Jedec板級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，板厚1 mm。焊球材料為SnAgCu基無(wú)鉛釬料，直徑500 μm。將試驗(yàn)板固定于振動(dòng)臺(tái)表面，用定值扭力計(jì)將PCB四角固定扭矩設(shè)為45 N·cm。

圖1 振動(dòng)臺(tái)及電路板組裝示意圖Fig.1 Vibration tester and PCB assembly layout

線路板高速?gòu)澢鷹l件下的焊點(diǎn)失效壽命主要決定于其所受的剝離應(yīng)力［14-15］，而剝離應(yīng)力依賴(lài)于PCB的形變情況，因此可選取PCB形變作為試驗(yàn)應(yīng)力參考指標(biāo)。本文選取文獻(xiàn)［6］中PCB所受沖擊作為目標(biāo)載荷強(qiáng)度，調(diào)節(jié)振動(dòng)試驗(yàn)條件以獲得與跌落沖擊相近的載荷，得到目標(biāo)試驗(yàn)應(yīng)力。將振動(dòng)沖擊中PCB應(yīng)變值作為載荷強(qiáng)度指標(biāo)，采用NI-9237高速電橋模塊采集跌落碰撞和振動(dòng)沖擊中PCB的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，對(duì)比兩試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)差異，從頻率和強(qiáng)度兩方面調(diào)整振動(dòng)試驗(yàn)邊界條件，貼近并達(dá)到目標(biāo)載荷。

2 焊點(diǎn)失效監(jiān)測(cè)

焊點(diǎn)在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)中受往復(fù)應(yīng)力作用，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)循環(huán)后將產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，裂紋可破壞焊點(diǎn)連接面的完整性，使焊點(diǎn)電阻值升高，見(jiàn)圖2。由焊點(diǎn)阻值變化可得焊點(diǎn)失效進(jìn)程。本文根據(jù)此原理設(shè)計(jì)焊點(diǎn)失效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)中的焊點(diǎn)進(jìn)行失效進(jìn)程監(jiān)測(cè)與采集。因振動(dòng)沖擊作用下焊點(diǎn)所受載荷變化較快，導(dǎo)致焊點(diǎn)阻值變化迅速，需用高速數(shù)據(jù)采集裝置記錄焊點(diǎn)阻值變化。故采用NI-Compact DAQ平臺(tái)配合NI-9239高速電壓模塊搭建虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)分壓電路對(duì)焊點(diǎn)電阻值進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集。

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

圖3 焊點(diǎn)失效監(jiān)測(cè)界面Fig.3 Monitoring interface of solder failure

本試驗(yàn)用芯片雛菊鏈焊點(diǎn)初始阻值為370～440 μΩ，隨著焊點(diǎn)受應(yīng)力作用產(chǎn)生裂紋，裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展導(dǎo)致焊點(diǎn)阻值不斷增大。圖3為焊點(diǎn)失效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量界面。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的焊點(diǎn)阻值變化可有效反映焊點(diǎn)在交變應(yīng)力作用下裂紋產(chǎn)生情況:焊點(diǎn)受拉時(shí)，裂紋張開(kāi)焊點(diǎn)導(dǎo)通面積減少，焊點(diǎn)阻值增加;焊點(diǎn)受壓時(shí)裂紋閉合，導(dǎo)通面積增加，焊點(diǎn)阻值恢復(fù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依照J(rèn)edec板級(jí)跌落標(biāo)準(zhǔn)［6］進(jìn)行跌落試驗(yàn)，對(duì)跌落沖擊中的PCB應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，結(jié)合有限元模態(tài)分析得到PCB在沖擊過(guò)程中載荷頻率特性(圖4)，結(jié)果顯示沖擊作用下PCB中心區(qū)域形變主要由一階固有頻率貢獻(xiàn)，高階頻率對(duì)形變貢獻(xiàn)較少。一階固有頻率為200 Hz，該模態(tài)下形變主要沿電路板長(zhǎng)度方向。因此為獲得類(lèi)似載荷，振動(dòng)試驗(yàn)采用200 Hz定頻振動(dòng)，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(dòng)加速度峰值選取以達(dá)到跌落沖擊過(guò)程PCB形變峰值為目標(biāo)。本試驗(yàn)采用線路板結(jié)構(gòu)及材料，振動(dòng)正弦加速度峰值調(diào)整為20 g(g=9.8 m/s2)時(shí)，振動(dòng)穩(wěn)定后應(yīng)變峰值與跌落碰撞中應(yīng)變峰值相近，如圖5所示。在振動(dòng)載荷作用過(guò)程中，PCB形變不斷增大，直至達(dá)到平衡狀態(tài)，該平衡是持續(xù)的加速度載荷、往復(fù)PCB形變及阻尼效應(yīng)等多因素共同作用結(jié)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(dòng)與跌落兩種試驗(yàn)中PCB應(yīng)變對(duì)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(dǎo)致PCB以接近極大振幅振動(dòng)。因此在振動(dòng)頻率200 Hz、加速度峰值20 g條件下，兩試驗(yàn)中PCB形變幅度相似性較好。由于焊點(diǎn)失效壽命很大程度上取決于所受最大剝離應(yīng)力，而最大剝離應(yīng)力僅在PCB峰值形變周期產(chǎn)生，且應(yīng)力水平依賴(lài)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(diǎn)受相近失效試驗(yàn)應(yīng)力。與跌落沖擊試驗(yàn)中反復(fù)跌落及阻尼效應(yīng)相比，振動(dòng)沖擊試驗(yàn)中每個(gè)振動(dòng)周期均可獲得一次跌落試驗(yàn)中峰值載荷產(chǎn)生的試驗(yàn)應(yīng)力。故振動(dòng)沖擊試驗(yàn)作為加速失效試驗(yàn)載荷更穩(wěn)定，效率更高。

對(duì)振動(dòng)加速失效試驗(yàn)中焊點(diǎn)進(jìn)行阻值監(jiān)測(cè)，同步進(jìn)行PCB應(yīng)變測(cè)量，結(jié)果如圖6所示。焊點(diǎn)內(nèi)部在試驗(yàn)初始階段未產(chǎn)生宏觀裂紋，經(jīng)22.5 s后焊點(diǎn)阻值發(fā)生變化。結(jié)合同步應(yīng)變測(cè)量結(jié)果顯示，焊點(diǎn)阻值與PCB應(yīng)變變化周期相同。焊點(diǎn)內(nèi)裂紋隨PCB形變周期迅速擴(kuò)展，焊點(diǎn)阻值在0.2 s內(nèi)增大80%，斷裂面積達(dá)到焊點(diǎn)截面面積的40%以上。主因?yàn)檎駝?dòng)載荷作用強(qiáng)度較高，頻率較快，初始裂紋在短時(shí)間內(nèi)受到連續(xù)多次高水平載荷作用而迅速擴(kuò)展。圖7為產(chǎn)生局部裂紋焊點(diǎn)的微觀組織。可見(jiàn)裂紋產(chǎn)生于焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)界面面積最小區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)力集中最嚴(yán)重。

圖6 焊點(diǎn)阻值變化與PCB應(yīng)變響應(yīng)同步監(jiān)測(cè)Fig.6 Solder resistance and PCB response monitoring

圖7 焊點(diǎn)內(nèi)局部裂紋Fig.7 Solder cross section with partial crack

對(duì)采集的電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到振動(dòng)試驗(yàn)中焊點(diǎn)斷裂百分率變化如圖8所示。振動(dòng)加載條件下，焊點(diǎn)失效過(guò)程可在數(shù)十秒內(nèi)完成，作為加速失效試驗(yàn)效率較高。失效過(guò)程量化可顯示焊點(diǎn)在振動(dòng)試驗(yàn)中的失效進(jìn)程。據(jù)裂紋擴(kuò)展行為特征可將整個(gè)失效過(guò)程分為四個(gè)階段:無(wú)宏觀裂紋階段;裂紋形成并快速擴(kuò)展階段;裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段;完全失效階段。其中第一、第三階段時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。初始階段，振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力使焊點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)域中組織缺陷損傷逐步累積，待損傷累積使局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力達(dá)到裂紋產(chǎn)生的臨界條件，裂紋開(kāi)始產(chǎn)生并擴(kuò)展。由于載荷高強(qiáng)度高頻率作用，斷裂面積迅速擴(kuò)展至整個(gè)焊點(diǎn)截面面積的一半左右。此后由于裂紋產(chǎn)生而導(dǎo)致焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)約束變化，裂紋前端應(yīng)力不再滿(mǎn)足迅速擴(kuò)展條件，焊點(diǎn)將經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)較穩(wěn)定的裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，直至焊點(diǎn)完全斷裂。據(jù)以上載荷分析與失效監(jiān)測(cè)結(jié)果，本試驗(yàn)通過(guò)振動(dòng)加載方法使加速試驗(yàn)應(yīng)力達(dá)到跌落碰撞中的目標(biāo)應(yīng)力峰值水平，且在單位時(shí)間內(nèi)增加了試驗(yàn)應(yīng)力作用頻次，提高了加速試驗(yàn)效率。失效監(jiān)測(cè)表明焊點(diǎn)在振動(dòng)載荷作用下表現(xiàn)出典型的疲勞失效特征。

圖8 焊點(diǎn)失效進(jìn)程量化Fig.8 Solder interconnects failure process

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了板級(jí)振動(dòng)沖擊加速失效試驗(yàn)。將PCB應(yīng)變作為試驗(yàn)載荷指標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)加載條件獲得了板級(jí)跌落碰撞中的峰值試驗(yàn)應(yīng)力。利用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)失效過(guò)程。

(2)結(jié)果表明振動(dòng)沖擊加速失效試驗(yàn)在維持焊點(diǎn)疲勞失效特征不變基礎(chǔ)上有效加速了焊點(diǎn)失效進(jìn)程，提高了板級(jí)跌落沖擊試驗(yàn)效率。量化的焊點(diǎn)失效進(jìn)程進(jìn)一步明確了焊點(diǎn)失效行為特征，也為失效時(shí)間尺度換算及焊點(diǎn)壽命模型建立提供參考數(shù)據(jù)。

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