PCB各向异性行为对焊点疲劳寿命的影响研究.pdf
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1、印制电路信息 2024 No.4互连组装 Interconnect AssemblyPCB各向异性行为对焊点疲劳寿命的影响研究潘浩东1 彭伟2 孙国立1 王剑2 聂富刚2 贺光辉1(1.工业和信息化部电子第五研究所,广东 广州 511370;2.中兴通讯股份有限公司,广东 深圳 518000)摘要当前微系统不断向着小型化、高密度和高可靠性方向发展,印制电路板(PCB)为微系统器件提供电气连接和机械支撑,对系统的服役可靠性起着至关重要的作用。根据PCB在不同方向上热膨胀系数(CTE)的差异,通过数值模拟研究了3种PCB模型在温度循环载荷下焊点的寿命和应力应变响应情况,并对比了3种模型得到的计算结
2、果,发现3种模型得到的结果存在较大差别。通过试验结果验证了仿真的准确性,表明在进行板级有限元分析时,关注焊球寿命时应充分考虑PCB复合材料的各向异性行为。同时,定量分析了由不同类别PCB模型获得的焊点寿命,为建立板级高保真数值模型和调控焊点寿命提供依据。关键词印制电路板;各向异性;焊点;热疲劳寿命中图分类号:TN405文献标志码:A文章编号:10090096(2024)04004306Research on the effect of anisotropic behavior of PCB on the fatigue of solder jointsPAN Haodong1 PENG Wei
3、2 SUN Guoli1 WANG Jian2 NIE Fugang2 HE Guanghui1(1.The 5th Research Institute of MIT,Guangzhou 511370,Guangdong,China;2.Zhongxing Telecom Equipment Corporation,Shenzhen 518000,Guangdong,China)AbstractMicrosystems are constantly developing towards miniaturization,high density,and high reliability.Pri
4、nted circuit boards(PCBs)provide electrical connections and mechanical support for the components of microsystems,playing a crucial role in the reliability of the system in service.Based on the differences in coefficient of thermal expansion(CTE)of PCB boards in different directions,this article stu
5、dies the solder joint life and stress-strain response of three PCB board models under temperature cycling load through numerical simulation,and compares the calculation results obtained by the three models.It is found that there are significant differences in the results obtained by the three models
6、.The accuracy of the simulation is verified by the experimental results,indicating that when conducting board level finite element analysis,the anisotropic behavior of PCB board composite materials should be fully considered when paying attention to the solder ball life.At the same time,quantitative
7、 analysis is conducted on the similarities and differences in solder joint lifespan obtained from different types of PCB models,providing guidance for establishing high-fidelity numerical models at the board level and regulating solder joint lifespan.Key wordsprinted circuit board(PCB);anisotropy;so
8、lder joints;thermal fatigue life作者简介:潘浩东(1996),男,工程师,硕士,主要研究方向为电装工艺可靠性及焊点寿命评价。-43互连组装 Interconnect Assembly印制电路信息 2024 No.40引言摩尔定律自诞生以来推动着集成电路产业不断向前发展,工艺的成熟不断促进着硅光芯片1、光学器件2和功率器件3的发展。随着芯片内部的晶体管数不断增加,封装结构也向着三 维 和 异 质 集 成 方 向 发 展,重 布 线 层(redistribution layer,RDL)的线宽不断缩小,层数不断增加。单颗芯片或芯片组经封装后形成单个元器件,可实现特定
9、的功能。进入后摩尔时代,单颗器件无法满足日益增长的需求。器件最终还需装联在印制电路板(printed circuit board,PCB)上,才能系统实现电气互联和信号传递4。板级可靠性是保证整个系统正常工作的最后一环,通常在板级互联之前,单个器件已经满足可靠性试验要求,但是当电容、电感、中央处理器(central processing unit,CPU)、图像处理器(graphics processing unit,GPU)等通过方形扁平无引脚封装(quad flat no-leads package,QFN)、方形扁平式封装(quad grid package,QFP)或球栅阵列封装(ba
10、ll rid array,BGA)等各类封装形式装联在PCB上时,会再次出现可靠性问题。在上装和服役过程中,由于与器件的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)失配5-6,PCB会发生较大翘曲,导致焊球持续承受交变应力,使焊球内部裂纹不断扩展直至焊点断裂,且焊点热疲劳导致微电子封装器件失效的数目占失效总数的80%7。许多研究者将研究对象局限在焊球本身,当前PCB对焊球疲劳寿命的影响也受到众多研究者的关注。苏佩琳等8对传统的 PCB 结构进行改进,在温度循环载荷下将焊点疲劳寿命提高了3.48倍。马丽利9采用正交设计的方法,研究了树脂含量、焊盘类型,以
11、及焊盘大小对焊点强度的影响。侯传涛等10发展了一种工程算法用于评估PCB上焊点热疲劳寿命,其结果与有限元计算结果吻合较好。关于 PCB的等效均匀化方法,一些学者将PCB看作各向同性的均质材料来预估焊点的热疲劳寿命11-12。于岩13选择横观各向同性材料进行均匀化,还有一些学者将其视为正交各向异性材料14。但少有学者研究不同均匀化方法的差别以及分析在相同条件下计算结果的误差。围绕这一问题,本文首先归纳了目前处理PCB常用的3种方式,建立了3类板级有限元模型;其次讨论和分析了采用不同均匀化方法处理CTE得到的计算结果的差别及其产生的原因;最后给出了改善焊点疲劳寿命的策略,为建立高精度模型提供参考。
12、1有限元分析1.1封装结构的几何尺寸建立的几何模型如图 1所示,主要包括环氧塑封料(epoxy molding compound,EMC)、芯片、芯片粘接层、焊盘(Pad)、焊球和PCB。转接板下侧分布272颗焊球,焊球上下表面为焊盘,该模 型 不 考 虑 金 属 间 化 合 物(intermetallic compound,IMC)层 的 影 响。PCB 由 覆 铜 板(copper clad laminate,CCL)、树脂和玻璃纤维压合而成,具有一定的多尺度特征。建立完整的有限元模型较为困难,其对焊球寿命影响较大,因此需采用合适的均匀化方法对PCB板进行处理。各部件尺寸参数见表1。1.2
13、有限元模型封装模块为对称结构,为提高计算效率并降低计算规模,建立了一系列 1/4有限元模型,如 图1几何模型表1封装结构各部件尺寸参数参数名称塑封料尺寸芯片尺寸芯片黏接层尺寸焊球高度焊盘直径基板尺寸PCB尺寸EMC厚度芯片厚度粘接层厚度焊球直径焊盘高度基板厚度PCB厚度典型尺寸/mm12.0612.062.322.322.322.320.500.6013.5713.5723.0623.061.170.200.021.200.100.505.53-44印制电路信息 2024 No.4互连组装 Interconnect Assembly图 2所示。不同模型之间的几何参数相同,PCB采用的材料参数不
14、同,为保证计算结果的可信度,单元的划分方式、单元数和节点数均保持一致。单元数和节点数分别为1 315 572和3 254 931,单元类型为20节点六面体单元。除焊球外其余材料均采用线弹性模型。有限元模型使用的材料参数见表2。不同PCB板模型类别定义见表3。模型1为实物 PCB测试数据;模型 24为在模型 1基础上假定PCB为横观各向同性或各向同性材料设定的参数,弹性模量为35 GPa,泊松比为0.3。温度循环过程中,焊球在热力作用下发生黏塑性变形,Anand模型可准确描述焊料的本构关系,反映黏塑性材料与时间和应变率相关的变形行为。Anand模型统一了演化方程和流动方程用于描述焊点的黏塑性行为
15、15,流动方程如下:p=Aexp()-QRT sinh()s1/m(1)式中:p为非弹性应变速率,s1;为应力因子;A为常数;Q为激活能,Jmol1;R为气体常数;T为绝对温度,K;m为应变率敏感指数;s为内变量,Pa;为有效应力,Pa。演化方程为s=h0(|B|)aB|B p(2)式中:h0、a为材料应变硬化参数,h0单位为Pa,a无量纲;B为瞬态蠕变参数,其值为B=1-ss*(3)式中:s*为内变量s的饱和值,其值为s*=s pAexp(QRT)n(4)式中:s为变形阻力饱和系数,Pa;n为应变率的敏感度指数。用于确定Anand模型的9个参数见表4,可直接输入到有限元软件,用于确定焊点的材
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