隨著5G產品的大規模商用,產品遍布全球高原、沙漠、沿海等地區,面臨著各種復雜的使用工況,產品的可靠性壽命受到更嚴苛的考驗。針對市場產品需達到一個預期壽命比如10年或20年。當然這個不太可能將產品放在實際工況下做這么長時間的實驗,當前主要是通過加速實驗判斷預期壽命。
加速實驗中,獲取溫循壽命主要通過的是高低溫加速實驗,這種實驗一方面成本較高,并且只能暴露問題,無法提出解決方案,比如實驗完成后知道器件焊點溫循壽命低,在設計端怎么做可提高溫循壽命呢。通過有限元仿真可較好避免上述兩個弊端。
本文通過ABAQUS有限元仿真軟件,模擬分析典型QFN器件的焊點在熱循環下的可靠性壽命,通過實驗對比判斷仿真的精度,并且研究影響QFN焊點溫循壽命的相關因子。
器件焊點溫循失效機理
由于PCB與器件的熱膨脹系數(CTE)不匹配,在長期高低溫過程中形成交變載荷,導致焊點裂紋的萌生及擴展,最終導致焊點的失效。這種失效模式屬于低周疲勞失效。
圖1 器件焊點溫循失效機理
當前業界對焊點這種失效形式的預測模型有以下幾類:
基于應變損傷的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
基于蠕變變形的預測模型
基于斷裂參量為基礎的預測模型
幾類模型都可以預測溫循壽,最為常用的是基于應變損傷的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類焊點溫循壽命預測,Darveaux常用于BGA等新式封裝的壽命預測。
仿真參數選擇及模型建立
因素分析
本文主要由兩部分內容組成:實測焊點溫循壽命和仿真對比;研究影響QFN焊點溫循壽命的相關因子。
實際進行溫循壽命實驗的器件重點參數信息為:封裝尺寸6*6mm,PCB厚度2.4mm,PCB CTE16,焊點高度0.1mm,散熱焊盤面積占比為0.5。
首先,建立三維有限元模型分析焊點在溫循循環過程中的應力應變,其中采用Anand粘塑性本構模型描述無鉛釬料SAC305的力學行為,采用修正后的Coffin-Manson壽命預測模型計算初始設計情況下的QFN封裝焊點溫循壽命,并和溫循實驗進行對比,判斷仿真精度。
表1 正交分析因子及水平表
在此芯片相關尺寸基礎上對上述5個因子進行研究,采用Taguchi實驗設計(Design of experiment,DOE)方法建立L16(45)正交實驗表進行最優因子組合設計,最后采用有限元分析方法對最優因子組合設計結果進行驗證,得到最優因子組合設計情況下的熱疲勞壽命。
有限元模型
由于幾何結構的對稱性,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。模型采用六面體單元進行網格劃分,單元類型為C3D8I,焊點為Anand粘塑性材料本構,其他材料均為線彈性材料本構。
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
焊點在溫循循環載荷下的等效應力和等效塑性應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。溫循循環完成后,提取焊點在最后一個溫度循環中高溫駐留階段結束時的等效應力和等效塑性應變分布進行分析,確定最易發生熱疲勞失效的焊點和位置,即關鍵焊點和關鍵位置
結合圖3和圖4研究可發現。最大等效應力和最大等效塑性應變均位于同一位置,即器件的邊角處焊點與引腳結合界面的端部,說明在溫度循環載荷下,疲勞裂紋極易在關鍵焊點與引腳結合界面端處萌生。從圖3圖4和圖5來看,實測的失效位置及裂紋形態均與仿真比較符合。
圖3焊點的等效應力分布云圖(Mpa)
圖4焊點的等效塑性應變分布云圖 圖5失效邊角焊點的切片圖
通過圖3和圖4確定關鍵焊點和關鍵位置后,提取關位置的等效應力、等效塑性應變隨溫度循環載荷的變化進行分析,分別如圖6、圖7所示:
圖6焊點等效應力隨時間變化
圖7焊點等效應力隨時間變化
從圖6、圖7可以發現,在5Cycle循環中,應力逐漸趨于穩定。應變的增加量也趨于穩定。我們采用Engelmaier Wild修正的Coffin-Manson方程通過提取焊點的等效塑性應變進行溫循壽命計算,計算公式為:
式中:Nf---熱疲勞平均壽命;△γ---等效非彈性剪切應變范圍;△?---等效非彈性總應變范圍;?f---疲勞韌性系數=0.325;f---循環頻率。此處c與熱循環的溫度和頻率有關。
C=-0.442-6*10-4Tm+1.74*10-2ln(1+f)、Tm=(Tmax+Tmin)/2,式中:Tm—熱循環的平均溫度,Tmax---循環最大溫度值,Tmin---循環最小溫度值。
根據以上公式求得進行溫循實驗的QFN器件的溫循仿真壽命為560Cycle,而實際實驗的測試值為500Cycle,溫循仿真和實測的吻合度為89.3%。
數據分析
通過上節內容我們獲取了仿真吻合度,本節內容研究影響焊點溫循壽命的相關因子,將16組正交實驗的結果進行提取,并進行主效應分析,從圖8可發現,在其他因子固定的情況下,器件的封裝尺寸、PCB厚度、PCBCTE數值和焊點的壽命成負相關;焊點高度和焊點的疲勞壽命成正相關;散熱焊盤面積占比疲勞壽命影響較小;
圖8焊點疲勞壽命主效應分析示意圖
獲取主效應影響后僅知道了各因子對溫循壽命的影響是正相關或負相關,工程師需要知道哪些因子對疲勞壽命的影響最大,我們接下來進行顯著性因子分析:
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的顯著性遠遠其他幾項,故在設計時為了保證焊點的溫循可靠性壽命應著重考慮PCB的CTE。
將原始器件尺寸按主效應和顯著性分析進行優化,得到數據如圖10所示,通過優化使焊點的溫循壽命有較大提升。
圖10優化效果提升圖
總結
高低溫加速實驗成本高、周期長,無法提出優化方案。仿真可以較好的解決上述問題。當前焊點溫循仿真在部分QFN器件的壽命預測上能達到85%以上的精度,仿真得到LOW-CTE板材對焊點溫循壽命有顯著影響在實際項目中得到驗證。
審核編輯:劉清
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原文標題:基于有限元分析的QFN器件焊點溫循壽命研究
文章出處:【微信號:actSMTC,微信公眾號:actSMTC】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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