SMT-PGA封裝焊點熱疲勞壽命預計模型研究

夏麗嬌，李小巖

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.中國航空綜合技術研究所，北京 100191）

SMT-PGA封裝焊點熱疲勞壽命預計模型研究

夏麗嬌1，李小巖2

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.中國航空綜合技術研究所，北京 100191）

目的 研究SMT-PGA封裝焊點熱疲勞壽命預計模型。方法 運用Engelmaier模型預測SMT-PGA封裝焊點的熱疲勞壽命，并將Engelmaier模型計算結果與美國馬里蘭大學CALCE PWA壽命評估軟件仿真結果作對比。結果 模型計算結果與馬里蘭大學壽命評估軟件仿真結果存在較大差異。結論 表明 Engelmaier模型中的工程因子F并不是一個固定常數(shù)，而是受封裝最低穩(wěn)態(tài)溫度的影響。

熱疲勞；SMT-PGA封裝；焊點；工程因子F

Engelmaier通過對 Coffin-Mason 模型的改正，并基于Wild[1]對于63Sn37Pb焊點熱疲勞壽命統(tǒng)計結果，于1980年提出了無引線型電子封裝熱疲勞壽命預計模型[2]，并在隨后提出了有引線型封裝的熱疲勞壽命預計模型[3—4]。焊點熱疲勞故障的主要原因是由于焊點周邊材料的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion）（CTE）不同，從而導致在熱膨脹或者收縮時，各種材料產(chǎn)生的熱應變不匹配，并在應變不協(xié)調處產(chǎn)生應力集中，導致裂紋的萌生和擴展，從而引起焊點的熱疲勞破壞。研究表明，當 CTE相差2×10-6/℃時就會出現(xiàn)不匹配的現(xiàn)象。CTE之差小于5×10–6/℃時，產(chǎn)品焊接的可靠性才能得到一定的保證，而較大的 CTE差異往往會導致焊點在溫度循環(huán)或使用過程中產(chǎn)生更大的應力，進而導致焊點產(chǎn)生疲勞裂紋直至失效[2]。經(jīng)過多年的實踐檢驗，Engelmaier模型對于表面貼裝型封裝的壽命預計具有很好的適用性，IPC-SM-785[5]and IPC-D-279[6]也將其作為電子封裝熱疲勞壽命預計模型。

文中應用Engelmaier模型對SMT-PGA封裝進行壽命預計，并與美國馬里蘭大學 CALCE中心的CALCE PWA[14]評估軟件比對，一般情況針對有引線型封裝，工程因子F為固定值，且F=1[3]。然而結果表明，模型中的工程因子F并不是一個固定值，而是受封裝工作的最低穩(wěn)態(tài)溫度的影響。文中繪制出了F與封裝最低穩(wěn)態(tài)溫度的相關曲線，表明了F因子是如何影響模型計算結果的，這為隨后的研究者提供了一種新的思路。

1 Engelmaier模型介紹

Engelmaier研究了焊點的熱疲勞失效，于 1980年提出了焊點熱疲勞壽命預計模型，稱之為Engelmaier模型，如式（1）所示：

對于有引線型封裝：

對于共晶焊料，2εf=0.625。

式中：Nf為失效循環(huán)數(shù)；Δγ為焊點循環(huán)剪切應變范圍；εf為焊點疲勞延伸系數(shù)；F為工程因子，對于有引線型封裝一般取1；kd為引線剛度；2LD為焊點之間最大距離（對于正方形取封裝長度方向引線最大跨度）；A為焊點有效面積，一般取焊點實際面積的 2/3；h為焊點有效高度，一般取焊點高度的 1/2；c為焊點疲勞延伸指數(shù)；td為高溫駐留時間；θsj為平均循環(huán)溫度。

式中：?c為封裝熱膨脹系數(shù)，?s為基板熱膨脹系數(shù)。

式中：θCmax為封裝工作最高穩(wěn)態(tài)溫度；θCmin為封裝工作最低穩(wěn)態(tài)溫度。

式中：θSmax為基板工作最高問題穩(wěn)態(tài)溫度，θSmin為基板工作最低穩(wěn)態(tài)溫度

1.1 SMT-PGA引線抗彎剛度計算模型

Sharon X.Ling 和Abhijit Dasgupta于 1993年基于能量原理，提出了PGA封裝多個引線剛度求解方法[15]；考慮到工程實際使用時只關注引線最大剛度，通過對兩種不同引線材料多個封裝類型計算，表明最大引線剛度出現(xiàn)在同一個計算公式；因此為了簡化引線剛度求解過程，PGA引線剛度按公式(4)計算。SMT-PGA封裝模型如圖1所示，SMT-PGA封裝引線模型如圖2所示。

式中：E為引線彈性模量；r為引線半徑；L為引線長度。

圖1 SMT-PGA封裝模型

圖2 PGA引線模型

1.2 工程因子

F是容差系數(shù)（也稱為工程因子），一般情況下針對有引線型封裝F為常數(shù)，且F等于 1。Perry E.Bake[9]使用FEA求解CQFP焊點循環(huán)剪切應變范圍，并代入到Engelmaier模型預測封裝熱疲勞壽命，最后將預測結果與試驗結果比對，指出Engelmaier模型中的F因子受溫度循環(huán)范圍的影響，不過Perry E.Bake并未說明F與溫度循環(huán)的具體關系。因此在此基礎上，針對SMT-PGA封裝進行進一步研究。在文中的測試中，F(xiàn)作為唯一的變量。根據(jù)不同的溫度循環(huán)測試條件，應用Egelmaier模型預計SMT-PGA熱疲勞壽命，根據(jù)CALCE PWA軟件評估結果調整F因子的大小。結果表明，F(xiàn)因子受封裝最低穩(wěn)態(tài)溫度的影響。

2 溫度循環(huán)測試

SMT-PGA封裝模型的封裝長度為27.4 mm，封裝寬度為27.4 mm，最大引線跨度（長度方向）為25.4 mm，焊點面積為0.85 mm，焊點高度為0.95 mm2，封裝熱膨脹系數(shù)為6.2×10–6/℃，PCB熱膨脹系數(shù)為17.4×10–6/℃，引線彈性模量為138 000 MPa，引線長度為1.27 mm，引線直徑為0.46 mm，封裝焊點材料為62Sn36Pb2Ag。在CALCE PWA中共進行了7組溫度循環(huán)測試。溫度循環(huán)剖面見表 1。由于低溫駐留時間和溫升時間對Engelmaier模型的預計結果無影響，因此低溫駐留時間控制為110 min，溫升時間為10 min。

表1 溫度循環(huán)剖面

2.1 測試結果分析

將上述信息代入到Engelmaier模型中求解，并在CALCE PWA中建立相應模型計算，相應結果見表2。在表2中給出了PGA封裝在不同溫循剖面下的工作最低穩(wěn)態(tài)溫度TCmin，表中F的值表示：當F取該值時Engelmaier模型的壽命預計結果與PWA結果吻合。

表2 模型和PWA計算結果以及F因子

從表3中可知，控制其他量不變的情況下，隨著PGA封裝工作最低穩(wěn)態(tài)溫度的降低，工程因子F的值也隨之降低。這表明F受封裝工作最低穩(wěn)態(tài)溫度的影響，為了更好地反應它們的關系，運用 SPPS19.0進行回歸分析，如圖3所示。

圖3 工程因子與封裝工作最低穩(wěn)態(tài)溫度關系

回歸分析表明，封裝工作最低穩(wěn)態(tài)溫度與校正因子成3次方關系，擬合度R2=1?；貧w模型為：

F=1.583+2.039e-2θc+2.243e-4θc2+1.329e-6θc3

3 結語

運用Engelmaier模型預計SMT-PGA封裝焊點的熱疲勞壽命。通過與美國馬里蘭大學CALCE中心的CALCE PWA軟件仿真分析結果比對，發(fā)現(xiàn)模型中的工程因子F并不是一個固定常數(shù)1，而是受封裝最低穩(wěn)態(tài)溫度的影響，且回歸分析表明工程因子與其成三次方的比例關系。

需要注意的是上述回歸模型只是為了說明工程因子F與SMT-PGA封裝最低穩(wěn)態(tài)溫度的關系，如果封裝參數(shù)信息和溫循剖面與表1，表2存在較大差異時上述模型求解的F并不具備一般適用性。因此在實際的工程應用中，可以通過對以往數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，建立SMT-PGA封裝校正因子的模型，再運用Egelmaier模型進行壽命評估，這樣可以提高模型的壽命預測結果。

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Thermal Fatigue Life Predication Model of Solder Joints for SMT-PGA Package

XIA Li-jiao1,LI Xiao-yan2
(1.China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191, China; 2.China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100191, China)

Objective To study the thermal fatigue life prediction model of solder joints for SMT-PGA package. Methods The thermal fatigue life of SMT-BGA package solder joints was predicted based on the Engelmaier model; and then it was compared with simulation results of CALCE PWA life assessment software of University of Maryland. Results The calculated results were quite different from the simulation results of CALCE PWA software. Conclusion Engineering factorFin the Engelmaier model is not a fixed constant but affected by the minimum steady state temperature of package.

thermal fatigue; SMT-PGA package; solder joint; engineering factorF

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.006

TJ07

A

1672-9242(2017)01-0021-03

2016-08-30；

2016-10-28

夏麗嬌（1980—）,女，吉林人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為環(huán)境與可靠性及電氣安全等。