隨著5G產(chǎn)品的大規(guī)模商用，產(chǎn)品遍布全球高原、沙漠、沿海等地區(qū)，面臨著各種復(fù)雜的使用工況，產(chǎn)品的可靠性壽命受到更嚴(yán)苛的考驗(yàn)。針對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)品需達(dá)到一個(gè)預(yù)期壽命比如10年或20年。當(dāng)然這個(gè)不太可能將產(chǎn)品放在實(shí)際工況下做這么長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)前主要是通過(guò)加速實(shí)驗(yàn)判斷預(yù)期壽命。

加速實(shí)驗(yàn)中，獲取溫循壽命主要通過(guò)的是高低溫加速實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)一方面成本較高，并且只能暴露問(wèn)題，無(wú)法提出解決方案，比如實(shí)驗(yàn)完成后知道器件焊點(diǎn)溫循壽命低，在設(shè)計(jì)端怎么做可提高溫循壽命呢。通過(guò)有限元仿真可較好避免上述兩個(gè)弊端。

本文通過(guò)ABAQUS有限元仿真軟件，模擬分析典型QFN器件的焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的可靠性壽命，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比判斷仿真的精度，并且研究影響QFN焊點(diǎn)溫循壽命的相關(guān)因子。

器件焊點(diǎn)溫循失效機(jī)理

由于PCB與器件的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，在長(zhǎng)期高低溫過(guò)程中形成交變載荷，導(dǎo)致焊點(diǎn)裂紋的萌生及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)的失效。這種失效模式屬于低周疲勞失效。

圖1 器件焊點(diǎn)溫循失效機(jī)理

當(dāng)前業(yè)界對(duì)焊點(diǎn)這種失效形式的預(yù)測(cè)模型有以下幾類(lèi):

基于應(yīng)變損傷的Coffin-Manson方程和其修正方程

基于損傷能量，典型的模型為Darveaux方程

基于蠕變變形的預(yù)測(cè)模型

基于斷裂參量為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)模型

幾類(lèi)模型都可以預(yù)測(cè)溫循壽，最為常用的是基于應(yīng)變損傷的Coffin-Manson方程和基于損傷能力的Darveaux方程，而其中C-M方程常用于QFN類(lèi)焊點(diǎn)溫循壽命預(yù)測(cè)，Darveaux常用于BGA等新式封裝的壽命預(yù)測(cè)。

仿真參數(shù)選擇及模型建立

因素分析

本文主要由兩部分內(nèi)容組成：實(shí)測(cè)焊點(diǎn)溫循壽命和仿真對(duì)比；研究影響QFN焊點(diǎn)溫循壽命的相關(guān)因子。

實(shí)際進(jìn)行溫循壽命實(shí)驗(yàn)的器件重點(diǎn)參數(shù)信息為：封裝尺寸6*6mm，PCB厚度2.4mm，PCB CTE16，焊點(diǎn)高度0.1mm，散熱焊盤(pán)面積占比為0.5。

首先，建立三維有限元模型分析焊點(diǎn)在溫循循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變，其中采用Anand粘塑性本構(gòu)模型描述無(wú)鉛釬料SAC305的力學(xué)行為，采用修正后的Coffin-Manson壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算初始設(shè)計(jì)情況下的QFN封裝焊點(diǎn)溫循壽命，并和溫循實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，判斷仿真精度。

表1 正交分析因子及水平表

在此芯片相關(guān)尺寸基礎(chǔ)上對(duì)上述5個(gè)因子進(jìn)行研究，采用Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of experiment，DOE)方法建立L16（45）正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行最優(yōu)因子組合設(shè)計(jì)，最后采用有限元分析方法對(duì)最優(yōu)因子組合設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到最優(yōu)因子組合設(shè)計(jì)情況下的熱疲勞壽命。

有限元模型

由于幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，采用ABAQUS和Hypermesh等有限元仿真軟件建立三維1/4有限元模型，其中包括QFN封裝、PCB和焊點(diǎn)。模型采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類(lèi)型為C3D8I，焊點(diǎn)為Anand粘塑性材料本構(gòu)，其他材料均為線(xiàn)彈性材料本構(gòu)。

a、整體有限元仿真模型

（b）局部有限元仿真模型

圖2仿真分析的有限元模型

溫循壽命求解

焊點(diǎn)在溫循循環(huán)載荷下的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變是影響熱疲勞可靠性的重要因素，在高溫駐留階段的影響尤為明顯。溫循循環(huán)完成后，提取焊點(diǎn)在最后一個(gè)溫度循環(huán)中高溫駐留階段結(jié)束時(shí)的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變分布進(jìn)行分析，確定最易發(fā)生熱疲勞失效的焊點(diǎn)和位置，即關(guān)鍵焊點(diǎn)和關(guān)鍵位置

結(jié)合圖3和圖4研究可發(fā)現(xiàn)。最大等效應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變均位于同一位置，即器件的邊角處焊點(diǎn)與引腳結(jié)合界面的端部，說(shuō)明在溫度循環(huán)載荷下，疲勞裂紋極易在關(guān)鍵焊點(diǎn)與引腳結(jié)合界面端處萌生。從圖3圖4和圖5來(lái)看，實(shí)測(cè)的失效位置及裂紋形態(tài)均與仿真比較符合。

圖3焊點(diǎn)的等效應(yīng)力分布云圖(Mpa)

圖4焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變分布云圖 圖5失效邊角焊點(diǎn)的切片圖

通過(guò)圖3和圖4確定關(guān)鍵焊點(diǎn)和關(guān)鍵位置后，提取關(guān)位置的等效應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變隨溫度循環(huán)載荷的變化進(jìn)行分析，分別如圖6、圖7所示：

圖6焊點(diǎn)等效應(yīng)力隨時(shí)間變化

圖7焊點(diǎn)等效應(yīng)力隨時(shí)間變化

從圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，在5Cycle循環(huán)中，應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。應(yīng)變的增加量也趨于穩(wěn)定。我們采用Engelmaier Wild修正的Coffin-Manson方程通過(guò)提取焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變進(jìn)行溫循壽命計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Nf---熱疲勞平均壽命；△γ---等效非彈性剪切應(yīng)變范圍；△?---等效非彈性總應(yīng)變范圍；?f---疲勞韌性系數(shù)=0.325；f---循環(huán)頻率。此處c與熱循環(huán)的溫度和頻率有關(guān)。

C=-0.442-6*10-4Tm+1.74*10-2ln(1+f)、Tm=(Tmax+Tmin)/2，式中：Tm—熱循環(huán)的平均溫度，Tmax---循環(huán)最大溫度值，Tmin---循環(huán)最小溫度值。

根據(jù)以上公式求得進(jìn)行溫循實(shí)驗(yàn)的QFN器件的溫循仿真壽命為560Cycle，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)的測(cè)試值為500Cycle，溫循仿真和實(shí)測(cè)的吻合度為89.3%。

數(shù)據(jù)分析

通過(guò)上節(jié)內(nèi)容我們獲取了仿真吻合度，本節(jié)內(nèi)容研究影響焊點(diǎn)溫循壽命的相關(guān)因子，將16組正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行提取，并進(jìn)行主效應(yīng)分析，從圖8可發(fā)現(xiàn)，在其他因子固定的情況下，器件的封裝尺寸、PCB厚度、PCBCTE數(shù)值和焊點(diǎn)的壽命成負(fù)相關(guān)；焊點(diǎn)高度和焊點(diǎn)的疲勞壽命成正相關(guān)；散熱焊盤(pán)面積占比疲勞壽命影響較??；

圖8焊點(diǎn)疲勞壽命主效應(yīng)分析示意圖

獲取主效應(yīng)影響后僅知道了各因子對(duì)溫循壽命的影響是正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，工程師需要知道哪些因子對(duì)疲勞壽命的影響最大，我們接下來(lái)進(jìn)行顯著性因子分析：

圖9-1顯著性分析表

圖9-2顯著性分析表

通過(guò)圖9-1和9-2可得出，器件封裝尺寸、PCB厚度、PCB CTE均為顯著性因子，但PCB CTE的顯著性遠(yuǎn)遠(yuǎn)其他幾項(xiàng)，故在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證焊點(diǎn)的溫循可靠性壽命應(yīng)著重考慮PCB的CTE。

將原始器件尺寸按主效應(yīng)和顯著性分析進(jìn)行優(yōu)化，得到數(shù)據(jù)如圖10所示，通過(guò)優(yōu)化使焊點(diǎn)的溫循壽命有較大提升。

圖10優(yōu)化效果提升圖

總結(jié)

高低溫加速實(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，無(wú)法提出優(yōu)化方案。仿真可以較好的解決上述問(wèn)題。當(dāng)前焊點(diǎn)溫循仿真在部分QFN器件的壽命預(yù)測(cè)上能達(dá)到85%以上的精度，仿真得到LOW-CTE板材對(duì)焊點(diǎn)溫循壽命有顯著影響在實(shí)際項(xiàng)目中得到驗(yàn)證。

審核編輯：劉清