LGA 焊點可靠性分析及熱疲勞壽命預(yù)測

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)將人們帶入萬物皆可互聯(lián)的時代,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)勢被廣泛應(yīng)用于各個領(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)模越來越大,也使人們對承載其功能的封裝結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。將先進系統(tǒng)級封裝(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封裝體內(nèi),實現(xiàn)小型化、多功能化的目標[4]。

柵格陣列封裝(Land Grid Array,LGA)的底部沒有焊球,通過在印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上的焊盤刷焊膏進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)過程中,熱應(yīng)力和塑性應(yīng)變會累積在焊點中,嚴重情況下將導(dǎo)致焊點失效[6]。為使產(chǎn)品具有更高的可靠性,研究焊點在外部載荷作用下結(jié)構(gòu)和材料的動態(tài)響應(yīng)具有較高的實際價值。

國內(nèi)外學(xué)者也針對LGA 焊點進行了一系列的研究。Yang 等[7]對板級LGA 無鉛焊點進行熱可靠分析,利用X-ray 設(shè)備檢測,發(fā)現(xiàn)有機襯底上板級LGA 焊點在熱循環(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LGA 焊點形態(tài),得出PCB 焊盤的大小與開孔固定模板的厚度對焊點形態(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角度驗證了LGA 焊點二次焊接后,有效地降低焊點的空洞率,同時提高了焊點的熱可靠性,達到航天電子產(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)級封裝芯片,為提高其焊點可靠性,設(shè)計了一種焊料包裹焊盤的倒凹槽焊點形態(tài)。在-40～125 ℃的溫度循環(huán)條件下,根據(jù)修正的Coffin-Manson 方程進行熱疲勞壽命預(yù)測[10]。最后,基于田口試驗法建立L27(39)正交表,得到焊點可靠性最優(yōu)的組合參數(shù),為工程實踐提供了參考。

1 模型的建立

1.1 有限元建模

圖1 為NB-IoT 系統(tǒng)級封裝-PCB 實物圖,中間部位為NB-IoT 系統(tǒng)級封裝芯片,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、芯片、塑封料等,詳細結(jié)構(gòu)尺寸見表1。圖2(b)和(c)分別為常規(guī)焊點和倒凹槽焊點模型,常規(guī)焊點是將焊料直接疊加在PCB 側(cè)焊盤上面,倒凹槽焊點是用焊料將PCB側(cè)焊盤包裹起來,增大焊點與焊盤的接觸面積,提高焊點的熱可靠性。

圖1 NB-IoT 系統(tǒng)級封裝-PCB 實物圖Fig.1 Specimen of NB-IoT SiP-PCB

圖2 (a)封裝-PCB 仿真模型;(b)常規(guī)焊點;(c)倒凹槽焊點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)模型的流動方程表達式如下:

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、低溫保持時間均為15 min。由于焊點的等效塑性應(yīng)變在第4 個周期較為穩(wěn)定,因此有限元分析中選取4 個溫度循環(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)測模型

本文運用修正的Coffin-Manson 模型評估LGA 焊點的熱疲勞壽命。通過引入單個循環(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,得到焊點的疲勞壽命,其表達式為:

式中:Nf為焊點的疲勞壽命;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為疲勞擴展系數(shù)。

2 焊點結(jié)構(gòu)對疲勞壽命的影響

2.1 常規(guī)焊點的熱疲勞壽命分析

對常規(guī)焊點模型進行有限元分析,圖4 為常規(guī)焊點的等效塑性應(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與PCB 側(cè)焊盤的連接處。本文將邊角處焊點看作關(guān)鍵焊點,即圖中Max 標志處。

圖4 (a)常規(guī)焊點的等效塑性應(yīng)變分布云圖;(b)常規(guī)焊點等效應(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)焊點模型仿真得到的等效塑性應(yīng)變與時間的關(guān)系圖。從圖中分析,焊點的等效塑性應(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)焊點的熱疲勞壽命為578 個周期。

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

進一步將常規(guī)焊點模型對應(yīng)的樣品A 進行溫度循環(huán)試驗,在500 個周期后取出,對關(guān)鍵焊點進行斷面,斷面圖如圖6(a)所示。為了對比驗證,圖6(b)所示為關(guān)鍵焊點的等效塑性應(yīng)變分布云圖,最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.7108×10-2,焊點的危險位置位于左下角與PCB 側(cè)焊盤接觸處,與試驗結(jié)果裂紋趨勢一致。

圖6 (a)常規(guī)焊點結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點的斷面圖(裂紋位置);(b)常規(guī)焊點結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點的塑性應(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 倒凹槽焊點的熱疲勞壽命分析

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

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

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

圖8 (a)倒凹槽焊點結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點的斷面圖;(b)倒凹槽焊點結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵焊點等效塑性應(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 倒凹槽焊點的優(yōu)化設(shè)計及分析

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LGA 焊點熱疲勞壽命的影響,本文共選取13 個因素,如表4 所示,每個因素均選取3 個水平,其中水平2 代表初始倒凹槽焊點的設(shè)計參數(shù)。

表4 因素水平表Tab.4 The level of factors

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

由單因素分析法可得,在13 個因素中有9 個顯著因素,分別為:溫度循環(huán)范圍(A)、焊點的高度(C)、PCB 側(cè)焊盤的高度(E)、焊點的底面積(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 田口試驗法

單因素法分析結(jié)果揭示顯著因素依舊較多。本文進一步結(jié)合田口試驗法[16-18],構(gòu)建正交表L27(39)對9個顯著因子進行試驗,共27 組試驗。本文試驗的目標函數(shù)是LGA 焊點的熱疲勞壽命[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)條件下的試驗次數(shù),試驗采用的是有限元分析法,因此n取1;yi為試驗值,即計算所得的熱疲勞壽命。試驗結(jié)果如表5 所示,由表5 可以看出,第5組試驗的信噪比最大,此組的熱疲勞壽命最高,第15 組試驗的信噪比最小,此組的熱疲勞壽命最低。

根據(jù)表5,將27 組試驗結(jié)果通過極差法計算得各個因素水平的平均信噪比和各因素對焊點熱疲勞壽命的影響等級,分別如圖9 和表6 所示。從圖9 和表6中可得,影響焊點熱疲勞壽命各因子的排列順序為L>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 焊點疲勞壽命與信噪比試驗結(jié)果Tab.5 The experimental results of fatigue life and signal-to-noise ratios

基于上述試驗所得的最佳參數(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)化后倒凹槽焊點的等效塑性應(yīng)變與時間關(guān)系圖,如圖10 所示,從圖中可以得到優(yōu)化后倒凹槽焊點在第4 個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 個周期。

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

圖11 進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,焊點最大應(yīng)力處位于邊角處焊點與PCB 側(cè)焊盤接觸面,是最有可能失效的位置。

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

(3)對倒凹槽焊點進行優(yōu)化,得到最優(yōu)參數(shù)組合下LGA 焊點的熱疲勞壽命為4297 個周期,是常規(guī)焊點的7.43 倍。