射頻絕緣子與基板互連焊點熱疲勞可靠性有限元模擬研究

陳 思, 王 帥, 李雪珺, 范 瑜

(上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

微波產(chǎn)品組裝過程中,絕緣子為常用信號傳輸件,通過互連材料與基板互連實現(xiàn)信號傳輸。隨著微波產(chǎn)品輕量化、小型化、集成化發(fā)展趨勢,焊點等互連材料所承受的負載不斷增加,可靠性問題日益突出,尤其是材料間熱膨脹系數(shù)差引起的可靠性問題。通常比較復(fù)雜的微波組件內(nèi)部,盒體間或模塊間互連焊點的失效風(fēng)險較高。隨著溫度的變化,盒體和模塊形變所產(chǎn)生的應(yīng)力施加于焊點,使焊點產(chǎn)生反復(fù)形變。形變越大,焊點失效風(fēng)險越高。

1 失效現(xiàn)象

隨著微波組件封裝密度的不斷增加,以及對組件本身可靠性要求的不斷提高,近期由于焊點失效導(dǎo)致的組件性能異常時有發(fā)生,影響了高性能微波組件的科研生產(chǎn)進度。圖1展示了典型的盒體間焊點失效案例。小盒體被安裝在大盒體內(nèi)部,小盒體上的絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與大盒體內(nèi)部基板通過焊點互連。在溫度循環(huán)后,發(fā)現(xiàn)焊點上出現(xiàn)明顯疲勞裂紋,導(dǎo)致焊點失效。

圖1 焊點熱疲勞失效

為避免熱疲勞失效,業(yè)界通常使用“軟連接”,即用軟硬適中的金屬絲或金屬薄片進行繞焊或環(huán)焊,如圖2所示。此方法效果顯著,但耗時較長且對操作人員要求高。另外,此方法并不適用于所有情況,如傳輸頻率較高或裝配空間有限的情況。因此,當(dāng)無法采取“軟連接”方式時,如何有效提高射頻絕緣子與基板互連焊點的可靠性就成為了一個急需解決的問題。

圖2 繞焊法

綜上所述,本研究的目的是通過模擬方法研究盒體、基板、墊片材料以及焊點結(jié)構(gòu)對焊點熱疲勞可靠性的影響并以此為依據(jù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計,明確工藝方法。

2 建模與加載條件

2.1 建立模型

模型的基本結(jié)構(gòu)參考常用設(shè)計結(jié)構(gòu)。選用SOLID186三維20節(jié)點立體元素。該元素每個節(jié)點具有x、y、z位移方向三個自由度,適用于模擬不規(guī)則結(jié)構(gòu)的塑性形變、超彈性形變、應(yīng)力硬化、蠕變、大位移量和大應(yīng)變量等情況。為了在模擬中準(zhǔn)確獲得焊點的應(yīng)力應(yīng)變分布,在生成網(wǎng)格時,對焊點及其附近的結(jié)構(gòu)進行了網(wǎng)格細分。同時為了減少運算周期,基板部分、盒體部分的網(wǎng)格劃分逐漸稀疏。

圖3為網(wǎng)格劃分后三維模型的宏觀視圖,包括大盒體、小盒體、基板和墊片。方框里面為焊點附近區(qū)域,其局部放大圖如圖4所示。焊點結(jié)構(gòu)由絕緣子、焊盤和焊點組成。

2.2 材料參數(shù)

模擬涉及的材料包括Sn-40Pb焊料、FR4印制板、5880微帶板、4350微帶板、鉬銅墊片、黃銅墊片、鋁盒體、硅鋁盒體、銅焊盤、可伐絕緣子內(nèi)外導(dǎo)體及玻璃絕緣層。為了避免在數(shù)值模擬中由于運算量過大、過復(fù)雜而造成收斂困難的情況,對材料的屬性進行了簡化?？紤]到此次模擬研究的主要對象為焊點,研究目的為定性研究,因此只把焊點定義為非線彈性材料,其余材料均假設(shè)為線彈性材料且不受溫度影響。各材料的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和泊松比如表1所示。

圖3 三維模型宏觀視圖

圖4 焊點附近局部視圖

表1 材料參數(shù)

模擬需要計算焊點在升溫、降溫和溫度保持階段的應(yīng)力應(yīng)變情況,因此除需要考慮溫度變化引起的焊點彈、塑性形變外,還需要考慮在溫度保持階段焊點的蠕變。大量試驗和模擬研究已證明ANAND粘塑性本構(gòu)方程適合用來描述焊料在溫度變化和溫度保持過程中的應(yīng)力、應(yīng)變行為[2-4]。ANAND本構(gòu)方程具有兩個基本特征。首先,ANAND本構(gòu)方程在定義材料時無需指明屈服條件及加載、卸載準(zhǔn)則;其次,ANAND本構(gòu)方程只需使用形變阻抗一個變量表述材料對塑性形變過程的抗性[5-6]。ANAND本構(gòu)方程的這兩個特征,使模擬過程和分析過程簡潔明了,工程應(yīng)用價值較高,其非彈性應(yīng)變流動方程為

式中:A為前指數(shù)因子;Q為激活能;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度;ξ為應(yīng)力因子;σ為等效應(yīng)力;m為應(yīng)變率敏感指數(shù);s為形變阻抗。形變阻抗的演化模型為

式中:h0為強化系數(shù);a為強化系數(shù)的應(yīng)變率敏感指數(shù);s*為形變阻抗飽和值。形變阻抗飽和值的方程表達式為

由式(1)～式(3)可知,ANAND本構(gòu)方程的模擬需要表2中列出的9個材料參數(shù),其中s0為初始形變數(shù),這些參數(shù)均可通過試驗獲得。本模擬中涉及的Sn-40Pb焊料的參數(shù)已有研究報道[1],列于表2。

表2 焊料的ANAND本構(gòu)方程參數(shù)

2.3 加載條件

模擬溫度變化曲線如圖5所示。最高溫度70℃,最低溫度-50℃,升、降溫速率為0.5℃/s,高、低溫保持時間為1 h。每種情況模擬三個溫度循環(huán)。

圖5 溫度循環(huán)加載曲線

2.4 模擬方案

模擬研究方案為首先模擬典型材料和焊點結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)過程中焊點的應(yīng)力、應(yīng)變行為,掌握焊點形變規(guī)律和機理。然后再研究盒體、基板、墊片材料對焊點塑性應(yīng)變范圍及疲勞壽命的影響。最后,研究焊點結(jié)構(gòu)中的間隙S、間距G和偏移B對焊點疲勞壽命的影響,如圖6和圖7所示。

圖6 間隙S和間距G示意圖

圖7 偏移B示意圖

焊點的疲勞壽命可通過Coffin-Manson半經(jīng)驗方程計算獲得。在溫度循環(huán)可靠性測試中,焊點疲勞失效主要是由焊點的反復(fù)塑性應(yīng)變引起的?；谠擖c,Manson、Coffin以及Solomon先后提出和完善了基于試驗數(shù)據(jù)的預(yù)測方法[7-9],建立了發(fā)生疲勞失效時的負載循環(huán)周次同塑性應(yīng)變范圍的關(guān)系,此關(guān)系被成為Coffin-Manson半經(jīng)驗方程,是基于應(yīng)變來描述疲勞壽命最為廣泛的方法,其方程表達式為

式中:Nf是疲勞循環(huán)壽命;β是疲勞指數(shù);C為材料常數(shù)。

Coffin-Manson關(guān)系需要首先通過試驗,得出循環(huán)壽命,然后由測量到的應(yīng)變范圍減去彈性應(yīng)變部分確定塑性應(yīng)變范圍,最后確定常數(shù)。但是,在溫度循環(huán)失效試驗或其他失效試驗中,如果樣品結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜則不易通過測量直接得到非彈性應(yīng)變,此時就需要通過有限元模擬算出非彈性剪切應(yīng)變范圍,同時結(jié)合試驗中獲得的循環(huán)壽命數(shù)據(jù),得到焊點的壽命預(yù)測方程。適用于-50℃至125℃Sn-40Pb焊料熱疲勞壽命預(yù)測的Coffin-Manson方程為[9]

由Coffin-Manson方程可知,焊點的疲勞壽命與塑性應(yīng)變范圍成對數(shù)線性關(guān)系,通過比對不同情況的焊點塑性應(yīng)變范圍大小,即可判斷焊點疲勞壽命長短。圖8顯示了溫度循環(huán)過程中焊點的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線?；鼐€應(yīng)變左右兩端差值即為塑性應(yīng)變范圍。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變分析

圖9和圖10顯示了在間隙S為0.1 mm,間距G為0,偏移B為0,基板為FR4印制板,小盒體為硅含量50wt%硅鋁盒體,大盒體為鍛鋁的輸入條件下,焊點在高溫及低溫階段的形變情況。為了使形變更明顯,將形變量放大了10倍。圖9為70℃時焊點形變情況。此時,在水平方向上,由于盒體受熱膨脹,大、小盒體間間距縮小,焊點受到擠壓;在垂直方向上,由于印制板和鍛鋁盒體的熱膨脹系數(shù)大于硅鋁盒體,因此焊點被向上擠壓并傾斜。圖10為-50℃時焊點的形變情況。此時,在水平方向上,盒體遇冷收縮,盒體間間距增加,焊點受到拉伸;在垂直方向上,印制板和鋁盒體冷縮形變更大,因此焊點被向下拉伸并傾斜,焊點截面明顯變窄。與高溫段相比,低溫段溫度與環(huán)境溫度(25℃)相差更大,焊點形變更大,更易出現(xiàn)失效。

圖8 溫度循環(huán)過程中焊點三個循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線

圖9 焊點70℃時形變情況

圖11和圖12顯示了低溫、高溫段焊點的剪切應(yīng)力與塑性剪切應(yīng)變分布。由于焊點在高溫段向下向內(nèi)受壓,在低溫段向上向外受拉,因此焊點高、低溫段的應(yīng)力方向相反,但應(yīng)力集中位置相同,均位于絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與焊點交界面的上、下兩端。在溫度循環(huán)過程中,絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與焊料接觸面下端及其附近區(qū)域最易產(chǎn)生晶格位錯,形成初始裂紋。隨后,裂紋會沿著絕緣子底部以及焊點兩側(cè)應(yīng)力較大區(qū)域擴展,最終導(dǎo)致焊點失效。此模擬結(jié)果與實際發(fā)現(xiàn)的焊點熱疲勞裂紋位置一致(圖1)。

3.2 盒體材料對焊點疲勞壽命的影響

在大盒體為鍛鋁的情況下,保持其他輸入條件不變,通過改變高硅鋁小盒體內(nèi)硅含量達到調(diào)整小盒體熱膨脹系數(shù)(CTE)的目的。硅鋁盒體材料參數(shù)如表3所示。隨著硅含量的增加,硅鋁盒體的熱膨脹系數(shù)降低,與鍛鋁大盒體熱膨脹系數(shù)差值增加。

圖13和圖14分別顯示了剪切應(yīng)變范圍及熱疲勞壽命與大、小盒體間熱膨脹系數(shù)差值之間的關(guān)系。焊點的剪切應(yīng)變范圍會隨著CTE差值的增加而略微增加,同時導(dǎo)致疲勞壽命少量縮短。應(yīng)變范圍的差異在0.1以內(nèi),壽命的差異在1個循環(huán)以內(nèi)。因此,盒體間CTE差值對焊點疲勞壽命影響不大。盒體形變產(chǎn)生的應(yīng)力主要施加在了與其直接相連的基板和墊片上,對焊點未產(chǎn)生直接影響。

表3 硅鋁材料參數(shù)

圖13 差值與應(yīng)變范圍

3.3 基板材料對焊點疲勞壽命的影響

微波組件中常見的典型基板材料包括聚四氟乙烯基微帶板RT5880、陶瓷基微帶板RO4350以及FR4印制板。在輸入條件相同的情況下,比較了三種基板材料對焊點剪切應(yīng)變范圍的影響,如圖15所示。FR4由于CTE較大,同時模量也較高,因此剪切應(yīng)變范圍最大。RO4350模量與FR4相當(dāng),但其CTE較低,與高硅鋁盒體CTE失配小,因此剪切應(yīng)變范圍比FR4小。RT5880的CTE最高,但模量很低,產(chǎn)生的應(yīng)力不高,因此焊點的剪切應(yīng)力較小。由模擬結(jié)果可見基板材料對焊點的疲勞壽命有一定的影響。

圖14 差值與疲勞壽命

圖15 基板材料與應(yīng)變范圍

3.4 墊片材料對焊點疲勞壽命的影響

由于RO4350及RT5880等微帶板通常厚度較薄,有時會將微帶板與具有一定厚度的墊片互連在一起,減小盒體形變對微帶板及其上電路的沖擊。也是由于微帶板較薄的原因,其下墊片對焊點的影響也較大。圖16和圖17顯示了兩種微帶板與四種不同墊片互連時焊點在溫度循環(huán)下的塑性應(yīng)變范圍。與盒體和基板材料相比,墊片材料對焊點的影響最大。由于鉬銅和可伐材料與高硅鋁小盒體材料的熱膨脹系數(shù)較為接近,熱膨脹系數(shù)差值引起的熱應(yīng)力不大,使得焊點的疲勞壽命顯著提高,比采用鍛鋁和黃銅墊片的焊點高2倍～3倍?？梢?在選用墊片時一定要保證墊片材料與小盒體材料的熱膨脹系數(shù)盡可能接近。

圖17 微帶板RT5880與應(yīng)變范圍

3.5 墊片厚度對焊點疲勞壽命的影響

圖18和圖19顯示了RT5880微帶板采用不同厚度Mo-20Cu墊片時焊點應(yīng)變范圍和壽命的變化情況。模擬結(jié)果表明,墊片厚度對焊點的壽命有非常顯著的影響,成線性關(guān)系。厚度越大,墊片對盒體間形變產(chǎn)生的熱應(yīng)力的緩沖作用越明顯,焊點產(chǎn)生的應(yīng)變越小。墊片厚度每提高0.5 mm,壽命可提高50%。因此,在空間和重量允許的情況下,墊片應(yīng)盡可能厚,建議不小于1.5 mm。

圖18 墊片厚度與應(yīng)變范圍

3.6 間隙S對焊點疲勞壽命的影響

在基板為FR4印制板,硅含量為50 wt%,偏移為0,間距為0的條件下,模擬間隙在(0～0.2)mm范圍內(nèi)焊點的應(yīng)變范圍和疲勞壽命。模擬結(jié)果顯示絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與焊盤緊密接觸時焊點應(yīng)變范圍最小,可靠性最高(圖20和圖21)。之后,焊點的應(yīng)變范圍隨間隙的增加而急劇升高,導(dǎo)致壽命大幅度下降,可見間隙對焊點的熱疲勞壽命影響極大。

圖19 墊片厚度與疲勞壽命

圖20 間隙與應(yīng)變范圍

圖21 間隙與疲勞壽命

當(dāng)間隙為0時,絕緣子內(nèi)導(dǎo)體下端與焊盤緊密貼合,貼合處實際焊料極少。溫度循環(huán)時,絕緣子內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要集中在貼合處的焊盤表面,鄰近焊點受到的應(yīng)力不大,因此應(yīng)變較小,疲勞壽命較高。隨著間隙的增加,內(nèi)導(dǎo)體下端由焊料支撐,焊盤支撐作用降低,內(nèi)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱應(yīng)力集中于焊點,導(dǎo)致焊點受力大幅提升,疲勞壽命下降。因此,在設(shè)計和裝配過程中,應(yīng)盡量減小內(nèi)導(dǎo)體與焊盤的間隙,提高焊盤對焊點應(yīng)變的限制作用。

3.7 間距G對焊點疲勞壽命的影響

在基板為FR4印制板,硅含量為50 wt%,間隙為0.1,偏移為0的條件下,研究了間距G在(0～0.2)mm范圍內(nèi)的變化對焊點應(yīng)變范圍的影響。由圖22可知,隨著間距的增加,焊點的應(yīng)變范圍總體會略微降低,這主要是由于隨著間距G的增加,內(nèi)導(dǎo)體下端的焊點在垂直方向上的形變會逐漸減小,但幅度不大。

圖22 間距與應(yīng)變范圍

3.8 偏移B對焊點疲勞壽命的影響

在基板為FR4印制板,硅含量為50 wt%,間隙為0.1 mm的條件下,模擬偏移B在(0～0.2)mm范圍內(nèi)對焊點可靠性的影響。由圖23模擬結(jié)果可知,焊點的偏移對應(yīng)變范圍的影響不顯著。

圖23 偏移與應(yīng)變范圍

4 結(jié)論

本研究對盒體間絕緣子焊點的熱疲勞可靠性進行了模擬。模擬內(nèi)容包括盒體材料、基板材料、墊片材料、墊片厚度、焊點間隙、間距和偏移。模擬結(jié)構(gòu)經(jīng)總結(jié)得出如下結(jié)論:

a)對焊點熱疲勞壽命有顯著影響的因素為基板材料、墊片材料、墊片厚度和焊點間距(S),盒體材料、焊點間距和偏移對焊點壽命影響不大;

b)FR4印制板CTE大,彈性模量也大,在大形變的同時還會產(chǎn)生較大應(yīng)力,而且印制板通常較厚,裝配時背面無緩沖墊片設(shè)計。這一系列因素導(dǎo)致在印制板上的盒體間硬連接焊點失效風(fēng)險最高,應(yīng)盡量避免硬連接,優(yōu)選軟連接方式。如不得不采用硬連接,建議使用In基軟焊錫;

c)RO4350和RT5880微帶板及類似微帶板,如涉及盒體間硬連接,應(yīng)設(shè)計墊片。墊片材料CTE應(yīng)與小盒體材料匹配,CTE差值不大于5 ppm。墊片的厚度建議不小于1.5 mm;

d)絕緣子內(nèi)導(dǎo)體與焊盤的間隙應(yīng)盡量通過設(shè)計和裝配方法減小,間隙建議小于0.05 mm。裝配時建議使用0.05 mm塞片進行測量,如間隙過大可將鍍銀銅片等材料墊入間隙再進行焊接;

e)在裝配時焊點盡量不要偏移,雖然對應(yīng)力和應(yīng)變的大小影響不大,但對分布影響較大。應(yīng)力與應(yīng)變分布不均同樣易造成焊點失效。