1581-萬能材料試驗機肖威紅,萬能,材料,試驗,實驗,肖威 38附錄： 結合振動測試與有限元分析估算 PBGA元件的疲勞 壽命Y.S. Chen , C.S. Wang, Y.J. Yang*元智大學機械工程學系，臺灣桃園中壢元東路 135號。摘要該研究開發(fā)了一種方法，結合了振動故障測試，有限元分析（ FEA ） ，并且從理論上計算電子元件在振動載荷下的疲勞壽命。一種特別設計的塑料球柵陣列（ PBGA ）元件和內置菊花鏈電路一起安裝在印刷電路板（板）做為振動試驗的測試工具。然后用頻率等于基本頻率和試驗測試器頻率的正弦振動信號刺激它，直到的元件失效。由于焊球太小而不能直接測量其壓力，用有限元分析代替獲取壓力。 因此，在進行應力分析時，振動測試的真正位移被輸入到有限元模型。從而，獲得的應力與失效周期（S-N）曲線與焊球壓力和振動試驗中失效周期的數(shù)值相關。此外，當測試元件失敗時，Miner的定理適用于計算其疲勞損傷指數(shù)。最后，通過所有這些研究過程可以推導出一個適合估算元件故障周期的公式。而且在第一次估算一個元件的疲勞失效周期后，然后對同一元件進行了振動試驗以驗證估算。證明實地測試結果是符合預期結果的。可以相信該方法在預測元件疲勞壽命時是有效的，而且它可用于進一步提高電子系統(tǒng)的可靠性。版權歸埃爾塞維爾有限公司所有，2007 年。1 、導言近年來由于其輸入/輸出（ I / O ）計數(shù)能力強，球柵陣列（ BGA ）封裝，已成為一種主要的包裝類型。通常是透過焊球或封裝的引腳連接外部集成電路和這些封裝。這樣的結果是可靠性問題，因為大量焊球和引腳有一個較高的整體故障風險。自從研究人員深入到 BGA元件的可靠性研究，這幾年這個問題引起人們的注意。大多數(shù)研究都集中在熱應力引起的可靠性問題，因為大部分熱量是這種復雜的 I / O 電路設計所產生的。電子設備在一動不動的環(huán)境中使用時這種情況是沒有爭議的。但是，許多現(xiàn)實應用中，除了熱應力，電子系統(tǒng)常常受到動態(tài)載荷。最熟悉的例子是，電子產品從一個地方運到另一個地方時，總是會遇到振動。但是，由于應用涉及運輸工具，如汽車，船舶，和飛機振動誘導應力是最主要的應力，并可能是不容忽視的。一般情況下，長期振動載荷通常是導致集成電路組件故障原因，電子系統(tǒng)的并必將影響可靠性。大量追查失效根源的經驗表明，在這種動態(tài)載荷下，焊關節(jié)可能是最受壓最大和部件的主要故障點。采用存在幾十，幾百，甚至數(shù)以千計焊球的 BGA元件，即使只有其中一個焊點失效就可能會出現(xiàn)一個災難性的失效。從我們的角度看種這問題是不尋常的，39如在航空業(yè)，電子模塊故障，將導致災難性的生命和財產損失。因此確保這些焊球的可靠性，是動態(tài)環(huán)境中使用電子設備一的個關鍵問題。振動環(huán)境中使用的大多數(shù)電子系統(tǒng)受到隨機波而不是諧波激勵。其結果是，電子設備的質量保證，通常利用隨機振動作為測試規(guī)范進行設計試驗，篩選試驗，可靠性鑒定測試。一般來說，這種測試可以只在原型制造進行。只有經過一段時間產品才被許可，在今天這種快節(jié)奏的電子技術市場這往往被視為是不經濟的。因此，建立一個準確和有效的方法估算振動載荷中元件的疲勞壽命已成為一個緊迫需求。 以往的研究已經試圖建立這種方法。王[1-3] 應用莉曼森關于焊接材料的疲勞性能的著作[4]研究 BGA焊點在隨機振動環(huán)境的疲勞壽命。王的研究結果表明，確定在隨機振動載荷中的封裝焊料的完整性時，驗證模型是有效的。除了驗證模型，理解振動載荷中元件的失敗機理也是至關重要的。這個包括尋找失敗的位置，并進一步改善電子元器件的薄弱環(huán)節(jié)。楊[5,6]使用了平面掃描正弦振動測試評估的可靠性，減少封裝振動疲勞。封裝模塊的橫截面失效測試表明，在振動載荷中疲勞失效總是發(fā)生在封裝模塊焊球的角落。王[7] 用 PBGA裝配和 FCBGA裝配進行了一系列振動疲勞試驗，然后觀察其失效模式差異。 然而，在現(xiàn)實負荷時，振動疲勞失效試驗從容進行直到完成，都沒觀察到元件失效。在實驗研究時，使用這種振動載荷很長一段時間是不切實際的。因此，為了在一個可以接受的期間內取得成果，該研究利用了情況最嚴重的振動共振載荷審查所有 PBGA測試元件的疲勞壽命。此外，還應用了被廣泛使用的疲勞模型，Miner 的規(guī)則，來估計 PBGA測試元件的疲勞壽命。在審查焊球的疲勞失效時， 壓力和周期數(shù)據(jù)必須被記錄下來。 不幸的是，在振動測試中大多數(shù)焊球太小，從而很難準確測量他們的應力。而是把震動測試的實際位移作為有限元分析的輸入，間接地用有限元分析得到了這一數(shù)據(jù)。執(zhí)行可靠性評估時，分析得到的焊球的這些應力就和振動試驗的失效周期數(shù)值建立起了聯(lián)系。2 、實驗設置 為了知道什么時候遠件失效，一特別設計的內置菊花鏈電路的 PBGA組件被使用到振動試驗中。組件和相應的菊花鏈電路如圖 1所示。該 PBGA組件（35 毫米-35 毫米）上用共晶溶膠以 1毫米間距安裝 0.6毫米直徑的焊球。PCB 是由 203毫米長，63 毫米寬，1.6毫米厚的 FR4做成的。雛菊鏈電路連接 PBGA上的所有焊料球，并串聯(lián)在一起，其電阻在整個測試中被不斷監(jiān)測。在振動試驗時一旦一個焊球發(fā)起裂紋，電阻將會增加。失效所定標準的研究遵行 IPC標準[8]，通過檢查菊花鏈電阻，是否超過初步電阻 20 ％，并連續(xù)發(fā)生 5次。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用來記錄并計算出瞬時菊花鏈電阻。當電阻超過規(guī)定的失效電阻，且事件已連續(xù)錄得五次，則認為元件實效并停止測試。為了執(zhí)行振動疲勞壽命測試，PBGA 組件和 PWB組件用夾子的一邊固定，而另一保持自由。然后用 131赫茲的諧波刺激，即是測試工具的第一自然頻率。振動振動篩上的測試組件的安裝圖如 2所示。403 、應力分析 正如前面所述，振動試驗是用來初步檢查在指定下的元件的激勵故障時間。然而，也有必要在進行元件的疲勞壽命評估時測試焊球的應力。在這項研究中，有限元分析用于 PBGA元件焊球的應力分析，其邊界條件的設定與振動試驗所使用的相同。在有限元模型如圖 3所示，是用商業(yè)通信計算機軟件 ANSYS10.0構建的。對稱有限元模型之所以被應用，是因為其有幾何對稱性和相應的邊界條件。此外，邊界條件的兩個相邊緣之一設置為固定，另一個保持活動以反映測試工具真正的優(yōu)勢條件。那些有限元模型中所使用的材料特性，其中包括那些板，焊球，襯底，芯片和成型化合物列出在表1中。它也指出，網格密度將對有限元分析的結果具有強烈影響。因此，應用該模型不42同的網格密度的以審查分析結果頻率的收斂性。圖 4的結果表明，一個焊球 1152個要素已經匯聚44總網。為了核查有限元模型，用模版檢測方法檢查測試工具的固有頻率，然后比較其45結果與那些從有限元分析的來的。圖 5顯示了測試設置模態(tài)測試方法，這里試驗樣品是由夾子固定的，且其頻率響應函數(shù)由所附加速計獲得。圖 6描繪了的通過模態(tài)試驗測試出的夾子的頻率響應函數(shù)（FRF） 。FRF 上的前三個高峰表明，測試工具的前三個自46然頻率分別是在 131赫茲，398 赫茲和 769赫茲。表 2給出了模態(tài)試驗和有限元分析自然頻率的比較。如該表的最后一欄所示，相對于模態(tài)測試結果的所有的前三個自然頻率錯誤率都在 3 ％以內。一旦有限元模型被驗證，該模型和進一步的分析就開始進行來研究振動激發(fā)下 PBGA元件的響應。同樣地如圖 7所示，為有限元分析模型的側視圖，表 3所列位移諧波對夾子的兩邊發(fā)出頻率為 131赫茲的頻率，以便產生響應。第一模式的模態(tài)形狀相應地顯示于圖 7。4 、討論4.1 、發(fā)展中的 S-N曲線為了建立共晶錫球的應力與疲勞失效周期曲線（S-N 曲線） ，通過每次改變激勵位移，共進行了 6個不同的振動試驗。所有的測試元件測試，直至他們菊花鏈電路已經失效，以及記錄由此產生的故障周期。失效的溶膠焊球相應的應力，這時也通過諧波激勵的有限元分析計算出來。表 3 列出了一些實驗失效周期和相應焊接球的最大壓力。輸入到混合器的相關的振動加速度和位移，也如上表中所列。可以通過這些曲線擬合實驗數(shù)據(jù)，列出 Eq（3）中的 S-N曲線。Eq（1）和（2）是共晶焊料的曲線 S-N，分別由曼森[4]和斯坦伯格[9]提供。當所有這三個曲線在圖 8繪制一起，我們觀察到目前研究的曲線位于斯坦伯格曲線和曼森曲線之間。這個數(shù)字有趣的結果包括：具有一定的疲勞周期，斯坦伯格的應力曲線幾乎位于其他兩個的兩倍。此外，該曲線與曼森曲線和目前研究的曲線比他們與斯坦伯格曲線更接近。重要的是要注意到，文獻中所列兩條曲線的所有結果都來自對焊錫材料本身的分析。然而，目前的研究測試的焊球位于實際元件中。正如 Eq（1）和 Eq（3）所示，在 Manson曲線中壓力和失敗的周期的關系是 0.263N???，而在本研究中是 0.1275N???。比較這兩個公式，很明顯，代表率曲線下降率的斜率幾乎是一樣的，只是各自的常數(shù) 75.1和 66.3 略有不同。這種微小的差異科學解釋了為什么這兩個結果非常接近。通過對比，相應的推0.12.0.1263975N????47導出斯坦伯格方程是 0.196N???，如 Eq（2）所示。它有一個常系數(shù) 109.6 ，遠遠大于梅森的或目前研究的。這意味著在相同的應力水平下，按 Eq（2）計算的失效周期總始終是所有這三項研究中最高的。而且極小的斜率 0.10也有利于解釋為什么這個曲線并不像其他兩個那樣陡。4.2 、振動載荷下焊球的應力分布基于有限元分析，振動負荷時元件上焊球的應力如圖 9所示，同時也顯示了元件上焊球相應的物理布局。如有限元分析結果所示，可以檢測出每一個焊球上的局部最大應力。此外，PNGA元件的每一列和行方向的焊球的最大應力位于角落。這就是說，焊球在這個位置承受最大壓力，并應當用來判斷失效。焊球的每一個列和行的壓力，分別如圖 10和 11所示。如圖9所示，第一列的焊球的局部最大應力遠高于第二列的。比如說，第一列焊球的最大的壓力是 13.79兆帕，但只第二列的只有有 7.73兆帕。在所有這 30個焊球中這些壓力差異幾乎增加了一倍（圖 10） 。同樣第一行和第二行的局部最大應力也表示在圖 11中，這兩行的總體最大應力分別是 13.79 MPa和 11.78 38MPa。但是，行之間的應力差別遠遠大于列之間的。比如說，前兩個焊球壓力比同一行其他的都高。除了最后一個外，第三個和其后的焊料球沒有很大的差別。這是由于元件本身加強了整個組件的強度。4.3 、估計累積損傷指數(shù)（CDI） Mine的累積損傷指數(shù)被廣泛應用于估計在不同的負載條件下的元件壽命。該方程可列為： 12CDI=.nN?這里 1是應力循環(huán)積累的實際值， 1N是失效需要的周期，CDI 代表累積損傷指數(shù)。當CDI等于 1時，會出現(xiàn)故障。為了檢查用曼森原理和先前的測試所的來的 S-N曲線得是否適用于預測振動負荷下元件的使用壽命，設計了兩套專門的實驗對其進行驗證。表4對實驗進行了簡要說明。同前實驗一樣，在這里振動篩再次用正弦位移激勵。最低的三個應力如表 3所示，即 13.8兆帕、14.8 兆帕、15 兆帕，它們被選中再次振動試驗，其持續(xù)較長一段時間后最終失效。對應于這三個應力水平，所需輸入的激發(fā)位移分別是 0.094毫米、0.099 毫米和 0.101毫米。詳細的實驗和相應 CDI結果可以歸納如表 4所示，用于測試設置 1的應力水平等于 13.8 MPa和 15MPa。測試裝置 2 ，應力水平設置分別為14.8 MPa和 15 MPa。通過 Eq（4）所列的 CDI計算確定失效，有必要由 Eq（3）為這三個指定應力水平檢查失效周期和每個現(xiàn)場測試的實際測試周期。相應的結果列在表4的最后一欄。值得注意的是，這兩個計算出的 CDI都恰好大約等于 1。這同意這一事實——在測試時元件已經被破壞。這些驗證測試表明，Eq(3)推導出的 S-N曲線在預測PBGA元件的疲勞壽命時是可靠的。5 、結論這項研究旨在結合實驗和模擬測試預測電子元件振動疲勞壽命。其主要困難在于測量焊球的失效應力。另一個遇到的問題是確定用于分析材料的固有性能。然而，現(xiàn)有的理論提供了可供選擇的方法來克服這些困難?；谘芯康慕Y果，可以得出結論認為： 1 、通過一系列的模擬與實驗，可以獲得 PBGA元件上焊球的 S-N曲線。獲得的應力38-實效循環(huán)關系的準確性和文獻數(shù)據(jù)進行了比較，甚至做了進一步的失效測試進行核實。結果表明，用該模型預測疲勞壽命是足夠正確的。 2 、對所有焊接求進行的應力分布的測試表明，最大應力發(fā)生在 PBGA元件焊球的角落。詳細結果表明，每個焊球上的最大局部應力位于焊球與印刷電路板之間的接觸面上。