專利名稱：電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程應(yīng)用技術(shù)，具體地說是一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞 壽命預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
在向無鉛化過渡的過程中，封裝材料與工藝改變所帶來的最突出的問題之一就是 無鉛焊點(diǎn)的可靠性問題?？偟膩碚f，對焊點(diǎn)破壞行為及壽命的研究已有多年的基礎(chǔ)，許多壽 命預(yù)測方法被不同的研究者采用，有關(guān)SnPb焊料焊點(diǎn)疲勞模型和壽命預(yù)測方法的研究也 有不少文獻(xiàn)可以參考。目前，雖然國內(nèi)外有關(guān)無鉛焊料開發(fā)、焊接工藝和焊點(diǎn)可靠性的研究 已有不少報(bào)道，但能否將用于描述SnPb焊料焊點(diǎn)破壞和壽命的規(guī)律直接應(yīng)用到SnAgCu系 無鉛焊料焊點(diǎn)上，仍無理論和實(shí)踐的保證。無疑，開展無鉛焊料焊點(diǎn)破壞行為和壽命規(guī)律的 研究對于理解無鉛焊料焊點(diǎn)的破壞機(jī)理、預(yù)測其可靠服役壽命有重要的理論和實(shí)際意義。目前，對焊點(diǎn)破壞和壽命的研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，提出了 SnPb焊料 和SnAgCu焊料壽命的不同模型，這些模型或者以應(yīng)變幅為表征參量，或者以累積蠕變應(yīng)變 為表征參量，或者以累積蠕變應(yīng)變能密度為表征參量。在這些模型中，美國Amkor公司Syed 提出的基于累積蠕變應(yīng)變和基于累積蠕變應(yīng)變能密度的壽命模型得到較多關(guān)注和應(yīng)用。根 據(jù)Syed模型，蠕變是控制SnAgCu焊料損傷的主要機(jī)制，蠕變是描述焊料損傷行為的單一 參量，因而壽命預(yù)測也應(yīng)以蠕變變形為基礎(chǔ)。此外還有Darveaux和Banerji，Pang John H. L.等提出蠕變和塑性分離的唯象學(xué)模型，將與時(shí)間無關(guān)的塑性應(yīng)變和與時(shí)間相關(guān)的蠕變 應(yīng)變分開處理。但是，基于非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，非彈性應(yīng)變(塑性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變) 速率與位錯(cuò)運(yùn)動速率相關(guān)，產(chǎn)生于同一機(jī)制。因而，在表征焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系時(shí)，忽略與時(shí) 間無關(guān)的塑性變形，或者將塑性應(yīng)變與蠕變相分離的本構(gòu)理論雖然可以在某些程度上使模 型得到簡化，但在處理材料循環(huán)塑性變形、蠕變以及它們的相互作用時(shí)表現(xiàn)較差。此外，在電子組裝設(shè)計(jì)中如何運(yùn)用疲勞模型進(jìn)行壽命預(yù)測也是企業(yè)十分關(guān)心的問 題。由于電子產(chǎn)品市場變化加快，不斷要求設(shè)計(jì)出新的組裝產(chǎn)品，企業(yè)幾乎沒有時(shí)間進(jìn)行 疲勞壽命試驗(yàn)。對新產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師來說，就需要一種快速的方法確定疲勞壽命。應(yīng)該指 出，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算模型的發(fā)展，微組裝焊點(diǎn)的力學(xué)響應(yīng)特征的FEM數(shù)值模擬工作 已經(jīng)取得了很大發(fā)展，如ANSYS、ABAQUS, MARC、ADINA等大型商用有限元分析軟件，它們?yōu)?電子產(chǎn)品的可靠性結(jié)構(gòu)分析提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。但是，當(dāng)用有限元數(shù)值模擬方法分 析無鉛焊點(diǎn)可靠性及焊點(diǎn)壽命時(shí)還存在許多不足，不可避免地用到模型假設(shè)，無鉛材料熱 物理性能數(shù)據(jù)的不充分以及有限元計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)處理方法不合理等，必將影響壽命預(yù)測的準(zhǔn) 確性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有電子封裝焊點(diǎn)壽命預(yù)測技術(shù)中存在的問題和不足，提 供一種能夠充分利用現(xiàn)有的無鉛組裝材料的性能數(shù)據(jù)，更加精確、有效預(yù)測電子封裝無鉛
3焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法。本發(fā)明的要點(diǎn)是采用統(tǒng)一型本構(gòu)模型描述焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，即將焊點(diǎn)的塑 性變形和蠕變變形統(tǒng)一認(rèn)為是非彈性變形進(jìn)行考慮，在對焊點(diǎn)可靠性分析的基礎(chǔ)上采用基 于能量的壽命模型進(jìn)行焊點(diǎn)壽命預(yù)測；在有限元方面采用子模型的處理技術(shù)，后處理時(shí)對 封裝焊點(diǎn)的處理程序進(jìn)行修正，采用體積平均化的方法提取相關(guān)參數(shù)。力圖從理論方面和 有限元處理技術(shù)方面改進(jìn)以達(dá)到提高焊點(diǎn)壽命預(yù)測精度的目的。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法，采用ANSYS有限元分析軟 件，用數(shù)值模擬的方法預(yù)測電子封裝無鉛焊點(diǎn)熱疲勞壽命，它包括如下步驟(1)獲得電子封裝器件各部分材料的性能參數(shù)，確定焊點(diǎn)本構(gòu)模型；(2)根據(jù)所研究電子封裝器件的結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并根據(jù)實(shí)際服役條件 添加邊界條件和相應(yīng)的載荷，進(jìn)行數(shù)值模擬分析；(3)焊點(diǎn)可靠性分析及壽命預(yù)測。其中，在步驟(1)中，所研究電子封裝器件各部分材料的性能參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn) 獲得，也可以通過公開發(fā)表的文獻(xiàn)、報(bào)告等獲得。對于焊點(diǎn)部分，采用統(tǒng)一型Anand粘塑性 本構(gòu)模型描述其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)該模型利用流動方程和演化方程統(tǒng)一了焊點(diǎn)的蠕變和率無關(guān)塑性行為，其流動方 程為
Γ f η 1 / “？ ρ =Aexp(-^)d)式中，~是非彈性應(yīng)變率；A是指數(shù)因數(shù)；Q是激活能；R是氣體常數(shù)；T是絕對溫度 (K) ；m是應(yīng)變率敏感指數(shù)；ξ是應(yīng)力乘子；σ是等效應(yīng)力。演化方程為^=(2)以及^ =(3)式中，h0是硬化/軟化常數(shù)；a是硬化/軟化的應(yīng)變率敏感指數(shù)；？代表在一組給 定的溫度和應(yīng)變率下變形阻力s的飽和值；如(3)式所示α和η分別是變形阻力飽和值的 系數(shù)和應(yīng)變率敏感度；Stl是變形阻力的初始值，用于(2)式變形阻力的計(jì)算。通常，Anand模型的應(yīng)力和變形阻力關(guān)系可描述為σ = cs(4)^鏟嘉〕]I⑶在上述粘塑性Anand方程中，共有9個(gè)材料參數(shù)A，Q，ξ，m，h。，^，n，a, sQ。這9
個(gè)參數(shù)，一般都是基于大量拉伸試驗(yàn)，采用非線性優(yōu)化算法，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合得 到。本發(fā)明中這9個(gè)參數(shù)的數(shù)值通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得。
其中，在步驟(2)中，在焊點(diǎn)數(shù)值模擬分析時(shí)采用子模型的處理技術(shù)。首先，根據(jù) 所研究電子封裝器件結(jié)構(gòu)建立全局有限元分析模型，并根據(jù)實(shí)際服役條件添加邊界條件和 相應(yīng)的載荷。應(yīng)當(dāng)指出，此處模型加載方式為循環(huán)溫度載荷，將溫度的循環(huán)曲線用TABLE命 令輸入，溫度載荷施加到所有節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定關(guān)鍵焊點(diǎn)位置。其次，在關(guān)鍵 焊點(diǎn)位置建立子模型，建模時(shí)應(yīng)對焊點(diǎn)子模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化以得到較精確的計(jì)算結(jié)果，并 且將切割邊界上所有節(jié)點(diǎn)的計(jì)算位移值作為子模型分析的邊界條件。其中，在步驟(3)中，采用基于塑性應(yīng)變能密度的Morrow方程計(jì)算焊點(diǎn)壽命，如 (6)式NfnAffave = A(6)式中，Affave為平均每個(gè)循環(huán)周期的平均能量密度增量，η和A均為常量。根據(jù)子 模型的應(yīng)力應(yīng)變分布確定焊點(diǎn)失效部位，對位于失效部位的所有單元的每周平均能量密度 增量進(jìn)行單元平均化處理，從而提取AWave的數(shù)值。本發(fā)明的效果及益處是合理考慮了產(chǎn)生于同一機(jī)制的塑性應(yīng)變與蠕變應(yīng)變的耦 合作用，因而使得壽命預(yù)測結(jié)果精度和可靠性得到較大提高，同時(shí)采用有限元數(shù)值模擬的 方法預(yù)測焊點(diǎn)壽命，并且采用的疲勞模型所需要的材料參數(shù)較少，從而節(jié)省了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和 時(shí)間，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。
圖1是PBGA器件1/4實(shí)體模型；圖2是溫度載荷-時(shí)間曲線；圖3是焊點(diǎn)子模型；圖4是子模型焊球部分的塑性應(yīng)變能密度分布云圖及壽命計(jì)算時(shí)所取單元；圖5是對應(yīng)不同金屬間化合物(IMC)厚度的焊點(diǎn)的塑性功密度變化；圖6是對應(yīng)不同IMC厚度的焊點(diǎn)的熱疲勞壽命；以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式采用本發(fā)明一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法對PBGA組裝無鉛焊點(diǎn)進(jìn) 行壽命預(yù)測。具體研究對象為焊球以全陣列排布的11 X Il-PBGA封裝器件焊點(diǎn)，圖1所示為 PBGA封裝器件1/4實(shí)體模型。步驟(1)，獲得電子封裝器件各部分材料的性能參數(shù)，確定焊點(diǎn)本構(gòu)模型；本實(shí)施例所研究PBGA電子封裝器件各部分材料的性能參數(shù)通過查閱公開發(fā)表的 文獻(xiàn)、報(bào)告等獲得，各部分材料的性能參數(shù)見表1，表2。
權(quán)利要求
一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于它適用于預(yù)測在熱疲勞狀態(tài)下電子封裝結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的壽命，實(shí)施步驟包括(1)獲得電子封裝器件各部分材料的性能參數(shù)，確定焊點(diǎn)本構(gòu)模型采用統(tǒng)一型Anand粘塑性本構(gòu)模型描述焊點(diǎn)部分的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)；該模型利用流動方程和演化方程統(tǒng)一了焊點(diǎn)的蠕變和率無關(guān)塑性行為，其流動方程為 <mrow><msub> <mover><mi>ϵ</mi><mo>·</mo> </mover> <mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mi>Aexp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac><mi>Q</mi><mi>RT</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mrow><mo>[</mo><mi>sinh</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ξ</mi> <mfrac><mi>σ</mi><mi>s</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>m</mi> </mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，是非彈性應(yīng)變率；A是指數(shù)因數(shù)；Q是激活能；R是氣體常數(shù)；T是絕對溫度(K)；m是應(yīng)變率敏感指數(shù)；ξ是應(yīng)力乘子；σ是等效應(yīng)力；演化方程為 <mrow><mover> <mi>s</mi> <mo>·</mo></mover><mo>=</mo><mo>[</mo><msub> <mi>h</mi> <mn>0</mn></msub><mo>|</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <mi>s</mi> <msup><mi>s</mi><mo>*</mo> </msup></mfrac><msup> <mo>|</mo> <mi>a</mi></msup><mi>sign</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><mi>s</mi><msup> <mi>s</mi> <mo>*</mo></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><msub> <mover><mi>ϵ</mi><mo>·</mo> </mover> <mi>p</mi></msub><mo>;</mo><mi>a</mi><mo>></mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>以及式中，h0是硬化/軟化常數(shù)；a是硬化/軟化的應(yīng)變率敏感指數(shù)；s*代表在一組給定的溫度和應(yīng)變率下變形阻力s的飽和值；如(3)式所示和n分別是變形阻力飽和值的系數(shù)和應(yīng)變率敏感度；s0是變形阻力的初始值，用于(2)式變形阻力的計(jì)算；Anand模型的應(yīng)力和變形阻力關(guān)系描述為σ＝cs(4) <mrow><mi>c</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>ξ</mi></mfrac><msup> <mi>sinh</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mo>{</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mfrac> <msub><mover> <mi>ϵ</mi> <mo>·</mo></mover><mi>p</mi> </msub> <mi>A</mi></mfrac><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mi>Q</mi><mi>RT</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mi>m</mi></msup><mo>}</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>在上述粘塑性Anand方程中，共有9個(gè)材料參數(shù)A，Q，ξ，m，h0，n，a，s0；這9個(gè)參數(shù)，基于大量拉伸試驗(yàn)，采用非線性優(yōu)化算法，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合得到；或者通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得；(2)根據(jù)所研究電子封裝器件的結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并根據(jù)實(shí)際服役條件添加邊界條件和相應(yīng)的載荷，進(jìn)行數(shù)值模擬分析；(3)焊點(diǎn)可靠性分析及壽命預(yù)測。FSA00000333385000012.tif,FSA00000333385000014.tif,FSA00000333385000015.tif,FSA00000333385000017.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于 在步驟(2)中，在焊點(diǎn)數(shù)值模擬分析時(shí)采用子模型的處理技術(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于 在步驟(3)中，采用基于塑性應(yīng)變能密度的Morrow方程計(jì)算焊點(diǎn)壽命，如(6)式NfnAff =A丄,f "ave11(6)式中，AWare*平均每個(gè)循環(huán)周期的平均能量密度增量，η和A均為常量；根據(jù)子模型的 應(yīng)力應(yīng)變分布確定焊點(diǎn)失效部位，對位于失效部位的單元的每周平均能量密度增量值進(jìn)行 單元平均化處理，從而提取AWave的數(shù)值。
全文摘要
一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法屬于材料科學(xué)與工程應(yīng)用技術(shù)。如何有效進(jìn)行電子封裝結(jié)構(gòu)無鉛焊點(diǎn)的壽命預(yù)測是企業(yè)十分關(guān)心的問題。本發(fā)明一種電子封裝無鉛焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測方法的步驟為(1)獲得電子封裝器件各部分材料的性能參數(shù)，確定焊點(diǎn)本構(gòu)模型；(2)根據(jù)所研究電子封裝器件的結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并根據(jù)實(shí)際服役條件添加邊界條件和相應(yīng)地載荷，進(jìn)行數(shù)值模擬分析；(3)焊點(diǎn)可靠性分析及壽命預(yù)測。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是合理考慮了產(chǎn)生于同一機(jī)制的塑性應(yīng)變與蠕變應(yīng)變的耦合作用，因而使得壽命預(yù)測結(jié)果精度和可靠性得到較大提高，同時(shí)預(yù)測方法簡便，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。
文檔編號G06F17/50GK101984442SQ20101053210
公開日2011年3月9日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者嚴(yán)永長, 劉娜, 史耀武, 李曉延, 肖慧, 郭福 申請人:北京工業(yè)大學(xué)