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SMT-PGA 封装焊点热疲劳寿命预计模型研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-02  浏览次数:641
核心提示:摘要:目的研究SMT-PGA封装焊点热疲劳寿命预计模型。方法运用 Engelmaier模型预测SMT-PGA封装焊点的热疲劳寿命,并将Engelmaier
 摘要:目的研究SMT-PGA封装焊点热疲劳寿命预计模型。方法运用 Engelmaier模型预测SMT-PGA封装焊点的热疲劳寿命,并将Engelmaier模型计算结果与美国马里兰大学CALCE PWA寿命评估软件仿真结果作对比。结果 模型计算结果与马里兰大学寿命评估软件仿真结果存在较大差异。结论 表明Engelmaier模型中的工程因子F并不是一个固定常数,而是受封装最低稳态温度的影响。

 关键词:热疲劳;SMT-PGA 封装;焊点;工程因子F 

Engelmaier通过对Coffin-Mason模型的改正,并基于Wild对于63Sn37Pb焊点热疲劳寿命统计结果,于1980年提出了无引线型电子封装热疲劳寿命预计模型,并在随后提出了有引线型封装的热疲劳寿命预计模型。焊点热疲劳故障的主要原因是由于焊点周边材料的热膨胀系数(Coefficient of Ther-mal Expansion)(CTE)不同,从而导致在热膨胀或者收缩时,各种材料产生的热应变不匹配,并在应变不协调处产生应力集中,导致裂纹的萌生和扩展,从而引起焊点的热疲劳破坏。研究表明,当CTE相差2×10-6/℃时就会出现不匹配的现象。CTE之差小于5×10–6/℃时,产品焊接的可靠性才能得到一定的保证,而较大的CTE差异往往会导致焊点在温度循环或使用过程中产生更大的应力,进而导致焊点产生疲劳裂纹直至失效。经过多年的实践检验,Engelmaier模型对于表面贴装型封装的寿命预计具有很好的适用性,IPC-SM-785 and IPC-D-279也将其作为电子封装热疲劳寿命预计模型。

 

文中应用Engelmaier模型对SMT-PGA封装进行寿命预计,并与美国马里兰大学CALCE中心的 CALCE PWA评估软件比对,一般情况针对有引线型封装,工程因子F为固定值,且F=1。然而结果表明,模型中的工程因子F并不是一个固定值,而是受封装工作的最低稳态温度的影响。文中绘制出了F与封装最低稳态温度的相关曲线,表明了F因子是如何影响模型计算结果的,这为随后的研究者提供了一种新的思路。
1、Engelmaier模型介绍

Engelmaier研究了焊点的热疲劳失效,于1980年提出了焊点热疲劳寿命预计模型,称之为Engelmaier 模型,如式(1)所示:

式中:Nf为失效循环数;Δγ为焊点循环剪切应变范围;εf为焊点疲劳延伸系数;F 为工程因子,对于有引线型封装一般取1;kd 为引线刚度;2LD为焊点之间最大距离(对于正方形取封装长度方向引线最大跨度);A为焊点有效面积,一般取焊点实际面积的 2/3;h 为焊点有效高度,一般取焊点高度的1/2;c为焊点疲劳延伸指数;td为高温驻留时间;θsj为平均循环温度。

D¶Dθ = ¶ c Dθ C - ¶ s Dθ S

 

式中:c 为封装热膨胀系数,s 为基板热膨胀系数。

Dq C = q Cmax - qCmin

 

式中:q Cmax 为封装工作最高稳态温度;q Cmin 为封装工作最低稳态温度。

Dqs = q  Smax - q Smin

 

式中:q Smax 为基板工作最高问题稳态温度,q Smin为基板工作最低稳态温度

 

1.1  SMT-PGA引线抗弯刚度计算模型

Sharon X.Ling和Abhijit Dasgupta于1993年基于能量原理,提出了PGA封装多个引线刚度求解方法;考虑到工程实际使用时只关注引线最大刚度,通过对两种不同引线材料多个封装类型计算,表明最大引线刚度出现在同一个计算公式;因此为了简化引线刚度求解过程,PGA引线刚度按公式(4)计算。SMT-PGA封装模型如图1所示,SMT-PGA封装引线模型如图2所示。

图1、SMT-PGA封装模型

图2、PGA引线模型

 

1.2  工程因子

F是容差系数(也称为工程因子),一般情况下针对有引线型封装F为常数,且F等于1。Perry E.Bake使用FEA求解CQFP焊点循环剪切应变范围,并代入到Engelmaier模型预测封装热疲劳寿命,最后将预测结果与试验结果比对,指出Engelmaier 模型中的F因子受温度循环范围的影响,不过Perry E.Bake并未说明F与温度循环的具体关系。因此在此基础上,针对SMT-PGA封装进行进一步研究。在文中的测试中,F作为唯一的变量。根据不同的温度循环测试条件,应用 Egelmaier 模型预计 SMT-PGA 热疲劳寿命,根据CALCE PWA软件评估结果调整F因子的大小。结果表明,F因子受封装最低稳态温度的影响。
2、温度循环测试

SMT-PGA封装模型的封装长度为27.4mm,封装宽度为27.4mm,最大引线跨度(长度方向)为 25.4 mm,焊点面积为0.85mm,焊点高度为 0.95 mm2,封装热膨胀系数为 6.2×10–6 /℃,PCB 热膨胀系数为17.4×10–6 /℃,引线弹性模量为 138000MPa,引线长度为1.27mm,引线直径为0.46mm,封装焊点材料为 62Sn36Pb2Ag。在CALCE PWA中共进行了7组温度循环测试。温度循环剖面见表1。由于低温驻留时间和温升时间控制为 110 min,温升时间为 10 min。

表1、温度循环剖面

2.1 测试结果分析

将上述信息代入到Engelmaier模型中求解,并在CALCE PWA中建立相应模型计算,相应结果见表2。在表2中给出了 PGA 封装在不同温循剖面下的工作最低稳态温度TCmin,表中F的值表示:当F取该值时Engelmaier模型的寿命预计结果与 PWA 结果吻合。

表2、模型和PWA计算结果以及F因子

从表3中可知,控制其他量不变的情况下,随着PGA封装工作最低稳态温度的降低,工程因子F的值也随之降低。这表明F受封装工作最低稳态温度的影响,为了更好地反应它们的关系,运用SPPS19.0进行回归分析,如图3所示。

 

图 3 工程因子与封装工作最低稳态温度关系回归分析表明,封装工作最低稳态温度与校正因子成 3 次方关系,拟合度 R 2 =1。回归模型为:

F=1.583+2.039e-2θ c +2.243e-4θ c 2 +1.329e-6θ c 3
3、 结 语

运用Engelmaier模型预计SMT-PGA封装焊点的热疲劳寿命。通过与美国马里兰大学CALCE中心的CALCE PWA软件仿真分析结果比对,发现模型中的工程因子F并不是一个固定常数1,而是受封装最低稳态温度的影响,且回归分析表明工程因子与其成三次方的比例关系。

需要注意的是上述回归模型只是为了说明工程因子F与SMT-PGA封装最低稳态温度的关系,如果封装参数信息和温循剖面与表1,表2存在较大差异时上述模型求解的F并不具备一般适用性。因此在实际的工程应用中,可以通过对以往数据分析统计,建立SMT-PGA封装校正因子的模型,再运用Egelmaier模型进行寿命评估,这样可以提高模型的寿命预测结果。

 
 
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