计算机系统的焊点可靠性试验

1、焊点可靠性试验验的计算机模模拟本文介绍，与实实际的温度循循环试验相比比，计算机模模拟提供速度度与成本节约约。在微电子工工业中，一个个封装的可靠靠性一般是通通过其焊点的的完整性来评评估的。锡铅铅共晶与近共共晶焊锡合金金是在电子封封装中最常用用的接合材料料，提供电气气与温度的互互联，以及机机械的支持。由由于元件内部部散热和环境境温度的变化化而产生的温温度波动，加加上焊锡与封封装材料之间间热膨胀系统统(CTE)的不匹配，造造成焊接点的的热机疲劳。不不断的损坏最最终导致元件件的失效。在工业中，决决定失效循环环次数的标准准方法是在一一个温室内进进行高度加速速的应力试验验。温度循环环过程是昂贵贵和费时的，

2、但但是计算机模模拟是这些问问题的很好的的替代方案。模模拟可能对新新的封装设计计甚至更为有有利，因为原原型试验载体体的制造成本本非常高。本本文的目的是是要显示，通通过在一个商商业有限单元元(finiite ellementt)代码中使使用一种新的的插入式专门门用途的材料料子程序，试试验可以在计计算机屏幕上上模拟。建模与试验宁可通过计计算程序试验验来决定焊点点可靠性的其其中一个理由由是缺乏已验验证的专用材材料模型和软软件包。例如如，市场上现现有的所有主主要的商业有有限单元分析析代码都对应应力分析有效效，但是都缺缺乏对焊点以以统一的方式式进行循环失失效分析的能能力。该过程程要求一个基基于损伤机制制理

3、论的专门门材料模型和和在实际焊点点水平上的验验证。可以肯肯定的是，所所有主要的有有限单元分析析代码都允许许用户实施其其自己的用户户定义的插入入式材料子程程序。直到现在，还还不可能测量量疲劳试验期期间在焊点内内的应力场，这这对确认材料料模型是必须须的。在Buuffaloo大学的电子子封装实验室室(UB-EEPL)开发发的一个Mooir干涉涉测量系统允允许在疲劳试试验到失效期期间的应力场场测试。基于热力学学原理的疲劳劳寿命预测模模型也已经在在UB-EPPL开发出来来，并用于实实际的BGAA封装可靠性性试验的计算算机模拟。在在焊点内的损损伤，相当于于在循环热机机负载下材料料的退化，用用一个热力学学构

4、架来量化化。损伤，作作为一个内部部状态变量，结结合一个基于于懦变的构造造模型，用于于描述焊点的的反映。该模模型通过其用用户定义的子子程序实施到到一个商业有有限单元包中中。预测焊点的可靠靠性焊接点的疲疲劳寿命预测测对电子封装装的可靠性评评估是关键的的。在微电子子工业中预测测失效循环次次数的标准方方法是基于使使用通过试验验得出的经验验关系式。如如果使用一个个分析方法，通通过都是使用用诸如Cofffin-MMansonn(C-M)这样的经验验曲线。通常常，使用接合合元件之间的的CTE差别别，计算出焊焊接点内最大大的预测弹性性与塑性应力力。大多数时间间，使用塑性性应变值，是是用C-M曲曲线来预测焊焊接

5、点的疲劳劳寿命。通过过研究者已经经显示，这个个方法对BGGA封装所产产生的结果是是保守的。例例如，Zhaao et al.已经经从冶金学上上证明，C-M方法不能能用于微结构构进化的材料料，如锡铅焊焊锡合金1,2。其理由由是C-M方方法没有考虑虑在疲劳期间间材料特性的的任何变化。CC-M方法假假设，在每一一个热循环中中所经历的塑塑性应变在整整个热循环过过程中是保持持不变的。事事实上，焊接接点所经历的的实际塑性应应变在每个循循环都由于微微结构变粗糙糙而减少。因因此，C-MM方法大大地地低估了焊接接点的疲劳寿寿命。在本研究中中使用一个损损伤进化函数数来量化焊接接点的退化。损损伤进化函数数是基于热力力

6、学的第二定定律，并使用用熵作为损伤伤度量。Baasarann和Yan已已经证明，作作为一个系统统失调度量的的熵可用作固固体力学的损损伤度量标准准3。损伤进化化结合到一个个统一的粘塑塑结构模型中中(在下面描描述)，用来来描述在热机机负载下焊接接点的循环疲疲劳特性。构造模型试验结果显显示，相对于于懦变或粘塑塑应变，塑性性应变对低循循环疲劳寿命命的影响是可可能忽略的。依依赖时间的懦懦变形支配着着焊接点的低低循环疲劳寿寿命1,2。这是是因为共晶与与近共晶焊锡锡合金一般预预计由于其低低熔点(1883C)在在高同系温度度下工作。在在高同系温度度下，材料经经历很大的懦懦性变形。因因此一个热粘粘塑结构模型型对

7、于建立焊焊接性能模型型是必要的。为了建立近近共晶焊锡的的第一、第二二和第三懦变变阶段模型，需需要懦变率函函数。在高同同系温度下的的大多数金属属与合金的稳稳定状态塑性性变形的动力力学可用Doorn懦变方方程来描述44。Kashhyap与MMurty已已经从实验上上证明，颗粒粒大小可以重重大影响锡铅铅焊锡合金的的懦变特性55。基于他们们的实验室试试验结果，他他们提出了一一个懦变定律律，修正Doorn方程。应应变率描述为为温度、扩散散率和诸如YYoung的的模数与颗粒粒大小等材料料参数的函数数。活性能量量随温度而变变化，基于已已发布的懦变变数据而决定定。类似地，颗颗粒大小与应应变率成指数数关系，试验

8、验上确定的颗颗粒指数。为了模拟材材料的循环疲疲劳特性，需需要一个逐步步退化的模型型。损伤机制制为我们提供供一个开发损损伤进化模型型的基本框架架。将一个内内部损伤变量量引入应力应应变关系中。随随着焊锡退化化的增加，损损伤变量的值值由零上升到到一，即代表表完全失效。BBassraan和Yann已经证明，熵熵是最准确和和最简单的焊焊点损伤度量量标准3。该熵可以以描述为失调调参数。失调调参数的变化化产生焊接点点的退化。有有关失效机制制模型的更详详细情况可以以查阅参考资资料3,6。使用前面简简要叙述的基基于构造模型型的损伤机制制，消除了需需要估算失效效循环数的两两步过程，即即进行失效分分析的传统方方法。

9、有限单单元分析通常常计算一个温温度循环的塑塑性应变，然然后使用C-M曲线预测测该塑性应变变值的疲劳寿寿命。上面提提出的模型直直接产生每个个焊接点的疲疲劳寿命，以以及提供对发发生在焊点内内的退化过程程的视觉显示示。有限单元模拟与与实验室试验验通过基于损损伤机制的模模型进行了对对简单循环剪剪切试验的几几个数字模拟拟，并比较PPb40/SSn60焊接接点的疲劳试试验结果。SSolomoon在对称位位移控制的条条件下，以不不同的塑性应应变范围，进进行了对Pbb40/Snn60焊接点点的循环简单单剪切试验99。作者报告告了对每一个个塑性应变范范围的失效循循环次数，将将失效定义为为在最终应力力下90%的的

10、负载下降。图图一显示Soolomonn的试验数据据与有限单元元模拟之间的的失效循环次次数的比较。也对经受热热循环的一个个实际BGAA封装的Pbb37/Snn63焊接点点进行了计算算机模拟。试试验的BGAA封装横截面面如图二所示示。FR-44印刷电路板板和聚合材料料的连接器层层通过Pb337/Sn663焊接点连连接。由于结结构的对称性性，模拟只画画出封装的一一半和取网格格。图一、疲劳寿命命比较(Soolomonn的试验与FFEM)图二、BGA封封装的横截面面图三、一个周期期的热负载曲曲线为了证实该该模型和对有有限单元程序序的实施，进进行了试验。一一个实际的BBGA封装在在SuperrAGREEE

11、的温度老化化室进行热循循环，塑性应应变场通过高高灵敏度的MMoir干干涉测量方法法测量。使用用有限单元程程序，和已实实施的构造模模型，对相同同的热循环试试验进行了模模拟和比较结结果。图三显示该该BGA封装装经受的热负负载曲线。使使用SupeerAGREEE的温度老老化室进行热热循环。试验验样品定期地地取出，使用用Moir干涉测量系系统测量无弹弹性应变的累累积。该试验验的详情在ZZhao eet al中中给出1,22。在试验与与有限单元分分析(FEAA)模拟期间间，封装固定定在中间FRR-4 PCCB层的两端端。在有限单单元模拟中，FFR-4 PPCB和聚合合层被认为是是线性弹性的的，焊接点随随

12、着损伤的进进化被认为是是非线性弹性性-粘塑性的的。图四、在2与44个热循环之之后的剪切应应力分布(使使用了损伤模模型)图五、在6与88个热循环之之后的剪切应应力分布(使使用了损伤模模型)图六、在10个个热循环之后后的剪切应力力分布(使用用了损伤模型型)由于在FRR-4 PCCB与聚合层层之间的温度度膨胀系数(CTE)的的不匹配，焊焊接点内的热热诱发的剪切切应力是周期期性的，造成成焊接点的热热机械疲劳。试试验结果显示示，剪切应力力支配在焊点点中懦变疲劳劳。图四至图图六显示剪切切应力的数字字模拟。事实实上，试验到到失效可能要要求1,0000次以上的的循环。可是是，对于证实实计算机模型型的目的，模模

13、拟十个循环环已经足够了了。焊点的剪剪切应力的有有限单元分析析(FEA)结果与Mooir干涉涉测量的试验验数据有很好好的相关性。在在试验期间，最最高的应力总总是在焊接点点一上观察到到。因此从FFEA和Mooir干涉涉测量方法所所得到的该焊焊点的无弹性性应力积累在在图七中绘出出。应该指出出的是，在我我们的试验与与分析中，观观察到塑性应应力的累积从从一个循环到到另一个循环环不是线性的的。随着焊锡锡的粗化，在在每个循环中中的塑性应力力累积减少。在在另一方面，使使用C-M方方法，假设塑塑性应力累积积是线性的。因因此，事实上上，从实验室室试验所获得得的BGA封封装的疲劳寿寿命通常是比比基于Cofffin-

14、MMansonn的模型所预预测的较长。图七、有现单元元模拟结果与与Moir干涉测量试试验结果比较较图九、在十个热热循环之下最最大损伤的进进化(使用了了损伤模型)图八、在十次热热循环之后损损伤的分布(使用了损伤伤模型)在焊点之中中损伤的分布布模拟如图八八所示。损伤伤分布提供设设计优化和可可靠性的重要要信息，因为为它可用来预预测封装在哪哪里何时失效效。图九显示示关键焊接点点的损伤进化化。损伤进化化是在疲劳负负载下材料退退化的内在反反映，而不只只是间接的度度量，如电气气开路。使用用损伤进化函函数，可以作作出精确的疲疲劳寿命预测测，并且借助助于计算机模模拟可以对每每个焊接点预预测材料退化化的进度。结论一个具有损损伤偶合粘塑塑结构模型的的计算工具已已经提出，并并通过一个用用户定义的材材料子程序实实施在有限单单元软件包中中。使用计算算机模