用于PBGA封装互连焊点随机振动载荷下的可靠性分析方法

摘要

本发明是一种用于PBGA封装互连焊点随机振动载荷下的可靠性分析方法，方法是基于完成验证的有限元仿真模型，通过随机振动分析得到器件中心下方印制电路板处的位移结果，并根据随机振动试验得到的失效时间，通过威布尔分布拟合得到焊点的疲劳寿命，最后基于有限元仿真分析的位移结果并引入位置函数，对预测焊点疲劳寿命的Steinberg模型进行修正，使得预测的焊点疲劳寿命与威布尔分布拟合得到的疲劳寿命的误差在100％内，满足工程上运用修正的Steinberg模型进行焊点疲劳寿命预测的要求。

说明书

技术领域

本发明是一种用于PBGA封装互连焊点随机振动载荷下的可靠性分析方法，属于测试技术领域。

背景技术

电子设备在服役和运输过程中会经受多种形式的振动，这些振动载荷对电子设备造成的失效模式不尽相同。所以，振动环境下电子设备的可靠性研究非常重要，国内外学者对电子器件振动载荷下的寿命预测模型进行了一些研究。Yu D对BGA封装进行了定频正弦振动实验，绘制出焊点在振动载荷下的应力-寿命曲线(S-N曲线)，通过雨流记数法和Miner累计损伤模型计算焊点在随机振动下的疲劳寿命，与随机振动实验结果相对比。Wong S F通过测试印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)应变推测焊点应变，通过正弦振动获得焊点应变-寿命曲线(E-N曲线)，最后基于Miner累计损伤模型计算焊点疲劳寿命。Wong TE使用有限元仿真技术研究了BGA焊点在振动载荷下的寿命，分别通过Manson公式和Steinberg三区间法两种预测模型进行计算。

目前，Steinberg模型广泛应用于航空航天和汽车领域，Steinberg通过多年的实际经验，系统的描述了在随机振动、冲击和其它载荷条件下电子器件的可靠性问题，提出振动载荷下电子元器件寿命的疲劳寿命模型，即Steinberg模型。Dehbi A通过多组正弦振动实验和有限元仿真技术，获得了器件在振动条件下的S-N曲线，使用Steinberg模型对钽电容器件在振动载荷下的疲劳寿命进行预测。Shao Jiang研究了双列直插式封装(DoubleIn-line Package,DIP)器件在随机振动载荷下的可靠性问题，通过随机振动实验获得器件失效时间，实验结果与Steinberg预测寿命误差在50％以内，验证了该模型对DIP封装器件寿命预测的准确性。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种用于PBGA封装互连焊点随机振动载荷下的可靠性分析方法，其目的是通过实验过程中使用实时监测技术对焊点电阻进行监控来获得焊点的失效时间。

然后通过对失效焊点剖面裂纹的显微观察，研究焊点的失效机理和失效位置，并经过实验验证的3D有限元模型可以确保仿真结果的准确性，通过有限元计算获得PCB关键位置准确的位移数据。最后，结合实验和仿真结果，对Steinberg模型进行修正，提高模型对PBGA封装器件的预测准确性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种用于PBGA封装互连焊点随机振动载荷下的可靠性分析方法是基于完成验证的有限元仿真模型，通过随机振动分析得到器件中心下方印制电路板处的位移结果，并根据随机振动试验得到的失效时间，通过威布尔分布拟合得到焊点的疲劳寿命，最后基于有限元仿真分析的位移结果并引入位置函数，对预测焊点疲劳寿命的Steinberg模型进行修正，使得预测的焊点疲劳寿命与威布尔分布拟合得到的疲劳寿命的误差在100％内，满足工程上运用修正的Steinberg模型进行焊点疲劳寿命预测的要求，该方法的具体内容如下：

采用PBGA封装测试器件1包含基板11，基板11正面具有塑封料10，基板背面具有阻焊层14、阻焊层内焊垫12以及焊垫上的焊点13，印制电路板2上焊接有12个测试器件1，印制电路板2的正面上设置有保护层8和保护层8内的印制电路板焊垫9，测试器件1的焊点13与印制电路板的焊垫9焊接在一起，通过导电线路3将单个测试器件的所有焊点13电连接，串联形成菊花链电路，印制电路板2四角处设置有螺栓通孔6，该方法的步骤如下：

步骤一、在相同的装焊工艺条件下，将印制电路板2上焊接的12个测试器件1组成印制电路板组装件4，测试器件1在印制电路板2上的位置呈上下、左右对称分布；

步骤二、制作相同的印制电路板组装件412块，并等分为3组；

步骤三、将每组中的4块印制电路板组装件4通过振动工装16分别固定于3个随机振动试验台15上；

步骤四、通过随机振动试验台15对12块印制电路板组装件4进行随机振动试验，功率谱密度图依据GJB 1032-1990制定，第1组试验的均方根值为18Grms，第2组试验的均方根值为11Grms，第3组试验的均方根值为7Grms；

步骤五、每隔54min通过随机振动试验台15控制系统导出所有测试器件1开环两端的电阻值，当测试器件1的电阻值超过1000Ω时判定器件失效并记录这一组的时间点，当每组中有75％的测试器件1失效时，停止随机振动试验并记录3组时间点；

步骤六、根据不同随机振动均方根值下所记录的3组时间点数据，通过威布尔分布进行拟合，获取PBGA封装器件在随机振动条件下的疲劳寿命；

步骤七、利用模态测试设备对单个印制电路板组装件4进行自由模态测试，分别得到前三阶的固有频率；

步骤八、将单个印制电路板组装件4通过振动工装16固定于随机振动试验台15上，在每个印制电路板组装件4的中心位置布置一个位移传感器16，获得一阶固有频率在0.5g振动量值下印制电路板组装件4中心位置的位移测试结果；

步骤九、利用有限元分析软件建立与单个印制电路板组装件4实物保持一致的3D有限元模型，进行自由模态分析得到印制电路板组装件4的前三阶固有频率，进行正弦振动分析得到一阶固有频率在0.5g振动量级下印制电路板组装件4中心位置的位移结果；

步骤十、将有限元分析得到的印制电路板组装件4前三阶固有频率和步骤七中自由模态测试得到的前三阶固有频率进行比对，同时分析得到的印制电路板组装件4中心位置的位移结果与步骤八中得到的位移测试结果进行比对，通过修改有限元分析中各材料的杨氏模量、泊松比和密度参数，对有限元分析模型进行修正，直到仿真分析的前三阶固有频率与实物测试的频率最大误差不超过6.5％且一阶固有频率在0.5g正弦振动量级下电路板中心位置的仿真位移结果与实物测试的位移结果误差不超过0.5mm；

步骤十一、通过对失效器件的焊点剖面裂纹进行显微观察，研究焊点的失效机理和失效位置。

步骤十二、完成有限元分析模型的修正后，对模型施加与步骤四中实际测试相同的随机振动条件并进行随机振动仿真分析，获得测试器件1中心下方电路板的位移仿真结果；

步骤十三、基于步骤十二中的位移仿真结果并引入位置函数，并依据步骤六中拟合得到的焊点疲劳寿命，对预测焊点疲劳寿命的Steinberg模型进行修正，使得预测的焊点疲劳寿命与威布尔分布拟合得到的疲劳寿命的误差在100％内。

进一步，随机振动试验台15能满足中国军标GJB1032-1990和美国JESD22-A104E-2014。

进一步，印制电路板组装件4上焊接有测试器件1并通过振动工装16固定放置在随机振动试验台15的振动试验台上。

进一步，测量测试器件1开环两端的电阻值采用的数据采集仪17的频率采集范围为：1Hz-3500Hz，电阻采集范围为：1μΩ-120MΩ。

本发明方法中，通过改变随机振动试验的量值并重新试验以获得不同应力条件下的失效时间，根据威布尔分布拟合获取PBGA封装器件随机振动环境下的疲劳寿命。通过对失效焊点剖面裂纹的显微观察，研究焊点的失效机理和失效位置。建立与被测单个印制电路板组装件实物保持一致的3D有限元模型，完成仿真分析模型的修正并保证仿真的前三阶固有频率与实物测试的频率最大误差不超过6.5％且一阶固有频率在0.5g正弦振动量级下电路板中心位置的仿真位移结果与实物测试的位移结果误差不超过0.5mm后，对模型施加与实际测试相同的随机振动条件进行随机振动仿真分析，获得器件中心下方电路板的位移仿真结果。依据仿真得到的位移结果并结合Steinberg模型可预测焊点的疲劳寿命；将预测得到的寿命和根据威布尔分布拟合得到的疲劳寿命进行对比分析，并引入位置函数对Steinberg模型进行修正，使预测寿命与拟合寿命的误差在100％内，达到工程运用的要求。修正后的Steinberg模型工程上可实现对PBGA封装在随机振动载荷下的焊点寿命预测。

本发明技术方案与已有技术相比，有如下显著的技术优势：

1.经过实验验证的3D有限元模型可以确保仿真结果的准确性，通过有限元仿真可获得PCB关键位置准确的位移数据；

2.根据实验结果对Steinberg模型进行修正，提高模型预测PBGA封装器件疲劳寿命的准确性。

附图说明

图1为实施本发明方法的实时监测系统结构示意图

图2为本发明方法中测试器件的结构示意图

图3为图2中A向的剖视图

图4为图3中Ⅰ位置的局部放大图

图5为8 0.5g激励下PCB板中心位置的位移仿真结果

图6为9 0.5g激励下PCB板中心位置的位移实验结果

图7为18Grms激励下器件失效时间

图8为PBGA焊点S-N曲线

具体实施方式

参见附图2、3、4所示，采用PBGA封装测试器件1包含基板11，基板11为FR-4材质的PCB，尺寸为300mm×180mm×2mm长×宽×厚，基板11正面具有塑封料10，基板背面具有阻焊层14、阻焊层内焊垫12以及焊垫上的焊点13，印制电路板2上焊接有12个测试器件1，测试器件1尺寸为21mm×21mm×1.2mm，印制电路板2的正面上设置有保护层8和保护层8内的印制电路板焊垫9，测试器件1的焊点13与印制电路板的焊垫9焊接在一起，焊点13材料为Sn63Pb37共晶焊料，测试器件1呈对称分布，通过导电线路3将单个测试器件的所有焊点13电连接，串联形成菊花链电路，印制电路板2四角处设置有螺栓通孔6，

测试器件1为无功能模型器件，其内部导通且带有微小电阻，在进行疲劳失效监测时，主要是对互连焊点的电阻进行监测，根据互连焊点的电阻变化，判断焊点是否发生疲劳失效。将256颗焊球串联连接，在实验过程中使用Keithly2750对焊点电阻进行实时监测，失效判定为记录的电阻值超过1000Ω，并且连续出现10次及以上时，判定器件失效。

如图1所示，该方法的步骤如下：

步骤一、将印制电路板2上焊接的12个测试器件1组成印制电路板组装件4，测试器件1在印制电路板2上的位置呈上下、左右对称分布；

步骤二、制作相同的印制电路板组装件412块，并等分为3组；

步骤三、将每组中的4块印制电路板组装件4通过振动工装16分别固定于3个随机振动试验台15上；

步骤四、通过随机振动试验台15对12块印制电路板组装件4进行随机振动试验，功率谱密度图依据GJB 1032-1990制定，第1组试验的均方根值为18Grms，第2组试验的均方根值为11Grms，第3组试验的均方根值为7Grms；

步骤五、每隔54min通过随机振动试验台15控制系统导出所有测试器件1开环两端的电阻值，当测试器件1的电阻值超过1000Ω时判定器件失效并记录这一组的时间点，当每组中有75％的测试器件1失效时，停止随机振动试验并记录3组时间点；

步骤六、根据不同随机振动均方根值下所记录的3组时间点数据，通过威布尔分布进行拟合，获取PBGA封装器件在随机振动条件下的疲劳寿命；

步骤七、利用模态测试设备对单个印制电路板组装件4进行自由模态测试，分别得到前三阶的固有频率；

步骤八、将单个印制电路板组装件4通过振动工装16固定于随机振动试验台15上，在每个印制电路板组装件4的中心位置布置一个位移传感器16，获得一阶固有频率在0.5g振动量值下印制电路板组装件4中心位置的位移测试结果；

步骤九、利用有限元分析软件建立与单个印制电路板组装件4实物保持一致的3D有限元模型，进行自由模态分析得到印制电路板组装件4的前三阶固有频率，进行正弦振动分析得到一阶固有频率在0.5g振动量级下印制电路板组装件4中心位置的位移结果；

步骤十、将有限元分析得到的印制电路板组装件4前三阶固有频率和步骤七中自由模态测试得到的前三阶固有频率进行比对，同时分析得到的印制电路板组装件4中心位置的位移结果与步骤八中得到的位移测试结果进行比对，通过修改有限元分析中各材料的杨氏模量、泊松比和密度参数，对有限元分析模型进行修正，直到仿真分析的前三阶固有频率与实物测试的频率最大误差不超过6.5％且一阶固有频率在0.5g正弦振动量级下电路板中心位置的仿真位移结果与实物测试的位移结果误差不超过0.5mm；

步骤十一、通过对失效器件的焊点剖面裂纹进行显微观察，研究焊点的失效机理和失效位置。

步骤十二、完成有限元分析模型的修正后，对模型施加与步骤四中实际测试相同的随机振动条件并进行随机振动仿真分析，获得测试器件1中心下方电路板的位移仿真结果；

步骤十三、基于步骤十二中的位移仿真结果并引入位置函数，并依据步骤六中拟合得到的焊点疲劳寿命，对预测焊点疲劳寿命的Steinberg模型进行修正，使得预测的焊点疲劳寿命与威布尔分布拟合得到的疲劳寿命的误差在100％内。

随机振动试验台15能满足中国军标GJB1032-1990和美国JESD22-A104E-2014。

印制电路板组装件4上焊接有测试器件1并通过振动工装16固定放置在随机振动试验台15的振动试验台上。

测量测试器件1开环两端的电阻值采用的数据采集仪17的频率采集范围为：1Hz-3500Hz，电阻采集范围为：1μΩ-120MΩ。

为获得PCB在随机振动条件下的模态和位移等数据，使用Abaqus软件进行仿真分析，所建立的样品3D有限元模型。由于全模型焊点较多，为提高计算效率，对模型进行必要简化，例如在研究第三组器件时，只对第三组其中一颗器件进行焊球的全模型建立，其它11颗器件的焊球部分简化为焊料层。

在高周疲劳研究中，假设材料的应力、应变都在弹性范围内，模型使用线性六面体单元(C3D8R)和线性楔形单元(C3D6)，材料参数如表1所示。

表1封装体中各组成部分的材料参数

须对仿真的模型进行验证，以确保仿真模型的准确。首先比较仿真和实验获得的前三阶固有频率，如表2所示。然后对一阶固有频率在0.5g振动量级下PCB板中心位置的位移结果进行对比，如图5、6所示，其中图6位移为峰-峰值，仿真结果和实验结果吻合较好。

表2仿真和实验前三阶固有频率对比

实验过程中对焊点电阻值进行实时监测，根据标准判定器件失效，获得焊点失效时间，其中18Grms量级下的失效时间如图7所示

两参数威布尔分布广泛应用于各种半导体器件的寿命实验中，在可靠性分析中占有重要的地位，半导体器件的许多失效机制都可以利用以下威布尔分布来描述。

F(t)＝1-exp[(t/α)^β]

其中，t为样品失效寿命，F(t)为寿命不大于t时的概率，α表示特征失效时间，β为形状参数，或称为威布尔斜率。全部失效时间统计结果如表3所示。

表3失效时间统计结果

器件拐角位置的焊点裂纹开口从外向里由大渐小，这说明裂纹从拐角位置向内部焊点延伸，对失效焊点位置进行统计，失效焊点主要分布在器件的角点位置，角点位置焊点最易失效。

焊点裂纹发生在靠近芯片端的钎料和金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)界面之间，在钎料部分扩展贯穿焊球。这是由于IMC的力学性能与钎料力学性能存在差异，从而导致界面处存在严重的应力集中，在振动条件下，应力集中处产生裂纹，导致焊点失效。

通过有限元仿真计算获取器件中心下方PCB的位移数据，各量级下的位移结果如表4所示。所求得位移值乘以3等于Z2，且方程中的单位为英寸。

表4各量级下的位移仿真结果

在之前正弦振动实验中，通过多种振动量级下的可靠性实验和仿真模拟，获得了PBGA样品的S-N曲线，如图8所示，从S-N曲线可以获得方程中b的取值为5.88。通过表4中位移值预测器件寿命，预测寿命与实验寿命(特征值)相比，如表5所示，部分位置器件寿命相差较大。

表5预测寿命与实验寿命

由于Steinberg模型是基于位移和疲劳寿命关系的经验公式，其在运用过程中，将电路板简化为弹簧质量系统，理论中有较多的缺陷，工程运用过程中假设过多，直接进行寿命预测会产生较大误差。本文基于该实验数据，对Steinberg模型进行修正，引入位置函数α＝1.574(y/x)，这里的x和y与方程(1)中的一致，修正后为：

N_f＝N₁[Z₁/αZ₂sin(πx)sin(πy)]^5.88

修正后的Steinberg方程预测寿命结果与实验结果的比较如表6所示，预测寿命和实验结果的误差在100％以内，符合工程运用要求，证明修正模型可以较好的对PBGA器件在随机振动载荷下的寿命进行预测。

表6修正后预测寿命与实验寿命