Sn60Pb40焊層在熱循環(huán)過(guò)程中蠕變行為的仿真研究*

楊 靜，王志海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

Sn60Pb40焊層在熱循環(huán)過(guò)程中蠕變行為的仿真研究*

楊 靜，王志海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中采用ANAND焊點(diǎn)本構(gòu)關(guān)系模型描述了Sn60Pb40焊層蠕變行為，通過(guò)MARC有限元軟件模擬了電子封裝器件Sn60Pb40焊層在熱循環(huán)中的蠕變過(guò)程，研究了Sn60Pb40焊層的蠕變應(yīng)變最大值出現(xiàn)的位置，分析了封裝結(jié)構(gòu)熱失配和焊層厚度對(duì)Sn60Pb40焊層蠕變應(yīng)變的影響。結(jié)果表明：焊層邊角處最早發(fā)生蠕變斷裂，降低封裝結(jié)構(gòu)熱失配程度和優(yōu)化焊層厚度均可減小Sn60Pb40焊層的蠕變變形。該研究結(jié)果不僅為封裝結(jié)構(gòu)的熱匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路，也為預(yù)測(cè)焊層蠕變斷裂位置和優(yōu)化工藝提供了技術(shù)支持。

Sn60Pb40焊層；蠕變應(yīng)變；熱循環(huán)；熱失配

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型電子封裝產(chǎn)品朝著高密度、高性能、高可靠性、小型化方向發(fā)展。焊點(diǎn)作為芯片與基板或基板與電子封裝外殼材料之間的連接，主要承擔(dān)著傳遞信號(hào)、提供散熱途徑、結(jié)構(gòu)保護(hù)與支撐等作用，其可靠性直接影響電子產(chǎn)品的性能。

Sn60Pb40基焊料具有低熔點(diǎn)，并且對(duì)Cu、Au、Ni、Ag等金屬有良好的潤(rùn)濕性，在航空和航天電子封裝中得到了廣泛應(yīng)用。電子封裝器件在服役條件下，周期性通斷電和周期性的環(huán)境溫度變化會(huì)使Sn60Pb40基焊點(diǎn)經(jīng)受溫度循環(huán)的過(guò)程，封裝材料間的熱失配會(huì)使焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生周期性的應(yīng)力應(yīng)變，同時(shí)Sn60Pb40基焊料的低熔點(diǎn)特性也會(huì)引起焊點(diǎn)發(fā)生蠕變變形，疲勞和蠕變的共同作用將導(dǎo)致焊點(diǎn)裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終使焊點(diǎn)失效。熱循環(huán)試驗(yàn)是研究電子封裝焊點(diǎn)服役條件下可靠性的常用物理模擬方法。研究表明：在熱循環(huán)條件下，Sn60Pb40 焊層蠕變過(guò)程是焊點(diǎn)失效的主要機(jī)制[1]，借助于有限元仿真，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱循環(huán)條件下焊點(diǎn)中的應(yīng)力、應(yīng)變及其歷史過(guò)程的描述。

封裝結(jié)構(gòu)熱匹配設(shè)計(jì)是防止芯片斷裂、基板斷裂以及焊點(diǎn)失效的重要手段。已有研究大多從熱應(yīng)力角度著手，通過(guò)研究熱失配對(duì)芯片應(yīng)力、基板應(yīng)力或焊點(diǎn)應(yīng)力的影響，進(jìn)行封裝結(jié)構(gòu)材料的熱匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)。熱應(yīng)力雖是進(jìn)行熱匹配設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)，卻無(wú)法反映出Sn60Pb40焊層粘塑性材料特性和時(shí)間效應(yīng)的影響。此外，封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是綜合了材料的熱匹配以及材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、加工難度和成本等因素的影響后的折中方案，最終的封裝結(jié)構(gòu)必然存在一定程度的熱失配。因此，如何通過(guò)優(yōu)化焊接工藝減小前期封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成的熱失配對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響，是目前面臨的又一重要問(wèn)題。

基于以上幾點(diǎn)考慮，本文采用有限元方法，對(duì)航天產(chǎn)品電子封裝器件中Sn60Pb40焊層在熱循環(huán)中的蠕變行為進(jìn)行了研究。

1 有限元模型

因焊層平面各部分的結(jié)構(gòu)和連接形式相同，因此，為簡(jiǎn)化模型，本文在焊層寬度上只選取部分焊層進(jìn)行分析。有限元模型由殼體、LTCC載體、LTCC和Sn60Pb40焊層幾部分組成，如圖1所示。模型各部分均采用實(shí)體單元，為保證Sn60Pb40焊層蠕變的計(jì)算精度，焊層高度方向的單元數(shù)在4層以上，其它部分高度方向的單元數(shù)為3層。

圖1 有限元模型

1.1 幾何尺寸

以下部分除特別說(shuō)明外，均以模型長(zhǎng)度6.25 mm、寬度1 mm、Sn60Pb40焊層厚度0.05 mm為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

1.2 材料屬性

除Sn60Pb40焊層外，其它部分材料均作各向同性線彈性材料處理。在熱循環(huán)過(guò)程中，Sn60Pb40焊層發(fā)生彈性變形和非彈性變形，非彈性變形包括塑形變形和蠕變變形2種，本文采用ANAND粘塑性材料本構(gòu)模型來(lái)描述焊層的塑形變形和蠕變行為[2]。

ANAND模型流動(dòng)方程可以描述為

(1)

變形阻抗s的演化方程為

(2)

式(2)中，變形阻抗的飽和值為

(3)

表1和表2分別給出了材料的線彈性力學(xué)參數(shù)和ANAND模型中的各個(gè)參數(shù)值。

表1 各個(gè)材料的線彈性力學(xué)參數(shù)

表2 Sn60Pb40焊層的ANAND模型參數(shù)[3]

1.3 邊界條件和載荷

分析時(shí)認(rèn)為殼體底面固定不動(dòng)，在殼體底部施加全約束。熱循環(huán)載荷采用復(fù)合SnPb焊點(diǎn)典型的溫度加載曲線，溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃，每個(gè)溫度循環(huán)的時(shí)間為1 h，高低溫的停留時(shí)間均為20 min[4]。圖2為熱循環(huán)溫度曲線。

1.4 模型的初始狀態(tài)

本文僅對(duì)焊層在熱循環(huán)中的蠕變行為進(jìn)行研究，不考慮周期性熱應(yīng)力引起的疲勞以及疲勞和蠕變引起的斷裂，并且在計(jì)算過(guò)程中不考慮焊接過(guò)程對(duì)焊層應(yīng)力的影響，認(rèn)為模型初始狀態(tài)為零應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 熱循環(huán)溫度曲線

2 仿真結(jié)果分析

2.1 有限元模型可靠性分析

材料的蠕變變形是在溫度和應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間共同作用下逐漸積累起來(lái)的塑形變形，此類(lèi)變形引起的斷裂為蠕變斷裂。Sn60Pb40的材料特性、溫度、應(yīng)力和時(shí)間是蠕變發(fā)生的誘因，蠕變變形是蠕變的結(jié)果，而蠕變應(yīng)變作為描述蠕變變形程度的物理量，是預(yù)測(cè)蠕變斷裂的一個(gè)主要依據(jù)。

仿真結(jié)果表明，Sn60Pb40焊層最大蠕變變形出現(xiàn)在LTCC載體與鋁合金殼體之間Sn60Pb40焊層的邊角處，如圖3所示。因?yàn)楹笇拥淖畲笕渥冏冃挝恢檬前l(fā)生蠕變斷裂的危險(xiǎn)點(diǎn)，因此可以推斷，Sn60Pb40焊層的邊角處可能最早發(fā)生蠕變斷裂，這與文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)得出的92.5Pn5Sn2.5Ag焊層裂紋位置(如圖4所示)相近，由此可說(shuō)明本文建立的焊層蠕變分析的有限元模型是可靠的。

圖3 LTCC載體與鋁合金殼體之間Sn60Pb40焊層上的邊角區(qū)域等效蠕變應(yīng)變分布

圖4 文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)得到的92.5Pn5Sn2.5Ag焊層裂紋位置

2.2 Sn60Pb40焊層蠕變變形的影響因素分析

2.2.1 熱失配對(duì)Sn60Pb40焊層蠕變變形的影響

圖5為5個(gè)熱循環(huán)結(jié)束時(shí)LTCC與LTCC載體、LTCC載體與鋁合金殼體上的Sn60Pb40焊層蠕變應(yīng)變分布云圖。LTCC與LTCC載體之間的Sn60Pb40焊層的最大蠕變應(yīng)變?yōu)?.11，LTCC載體與鋁合金殼體之間的Sn60Pb40焊層的最大蠕變應(yīng)變?yōu)?.56，這主要是因?yàn)長(zhǎng)TCC載體(AlSiC)與鋁合金殼體之間熱失配程度較大，熱循環(huán)過(guò)程中在Sn60Pb40焊層上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，加劇了焊層的蠕變變形，而LTCC和LTCC載體熱膨脹系數(shù)相近，其間的焊層蠕變變形也較小。因此，在進(jìn)行電子封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料可大幅度減小Sn60Pb40焊層的蠕變變形。

圖5 Sn60Pb40焊層等效蠕變應(yīng)變分布云圖

2.2.2 焊層厚度對(duì)Sn60Pb40焊層蠕變變形的影響

焊層厚度分別取為0.05 mm、0.075 mm和0.1 mm，得到高度方向尺寸變化對(duì)焊層蠕變應(yīng)變的影響曲線，如圖6所示，焊層的最大蠕變應(yīng)變隨厚度的增加而減小，在進(jìn)行焊接工藝設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)提高焊層厚度可減小焊層的蠕變變形，進(jìn)而提高焊層的蠕變壽命。

圖6 焊層厚度取不同數(shù)值時(shí)的蠕變應(yīng)變

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)MARC有限元軟件研究了Sn60Pb40焊層在熱循環(huán)過(guò)程中的蠕變行為，得到如下結(jié)論：

1)對(duì)LTCC與LTCC載體之間以及LTCC載體與鋁合金之間的Sn60Pb40焊層進(jìn)行了蠕變分析，預(yù)測(cè)了焊層斷裂最早發(fā)生的位置，并通過(guò)與已有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性；

2)從焊層的蠕變變形特點(diǎn)出發(fā)，探討了熱失配對(duì)焊層蠕變行為的影響，為封裝結(jié)構(gòu)的熱匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。此外，研究表明：在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化焊層厚度還可在一定程度上抵消前期封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成的熱失配對(duì)焊點(diǎn)蠕變變形的影響，從而提高焊層的蠕變壽命。

[1] 張勝紅. 電子封裝SnPbAg焊層熱循環(huán)可靠性研究[D]. 上海: 中科院上海冶金研究所, 2000.

[2] 韓瀟, 丁漢, 盛鑫軍，等. CSP封裝Sn-3.5Ag焊點(diǎn)的熱疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào), 2006, 27(9): 1695-1700.

[3] 陳穎, 康銳. PBGA封裝焊點(diǎn)壽命影響因素的有限元分析[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2008, 33(7): 563-566.

[4] 王艷良, 邱寶軍. BGA焊點(diǎn)的有限元模擬仿真分析[J]. 電子質(zhì)量, 2009(1): 24-27.

楊 靜(1982-)，女，博士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真研究。

Simulation Study on Creep Behavior for Sn60Pb40 Welding Layer during Thermal Recycle

YANG Jing，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In this paper, the creep behavior for Sn60Pb40 welding layer，which is described using ANAND solder constitutive relation model, is simulated by MARC software during thermal cycle. The location of maximum equivalent creep strain for the welding layer is studied and the influence of electronic package structure thermal mismatch and welding layer thickness on Sn60Pb40 creep behavior is analyzed. The results show that the welding layer creep fracture first appear at the corner, and the Sn60Pb40 welding layer creep strain can be reduced by decreasing the package structure thermal mismatch and optimizing welding layer thickness. The results provide a new thought of package structure thermal match optimization design and technical support for the prediction of the welding layer creep fracture location and the optimization of process.

Sn60Pb40 welding layer; creep strain; thermal recycle; thermal mismatch

2014-09-05

TP391.99

A

1008-5300(2015)01-0042-04