白皮书

预测焊点在高功率循环下的疲劳

通过克雷格·希尔曼，内森Blattau,马特花边

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连接到印刷电路板的SMT组件的焊点可靠性已得到充分的证明。然而，大部分测试和数据与与产品合格测试(即-55°C至125°C)相关的高应变能量热循环实验有关。关于焊点的低应变、高周疲劳行为的信息相对较少，尽管由于节能睡眠模式、带宽使用和计算需求的高变化以及许多电源应用中的正常运行配置，这在许多应用中越来越普遍。

本文对2512个片式电阻器进行了高(> 50000)次短持续时间(<10分钟)的电源循环。环境条件和相关材料性能被记录下来，这些信息被输入到许多已出版的焊点疲劳模型中。讨论了每个模型的要求，其方法(裂纹扩展或损伤积累)及其与高周疲劳的相关性。将预测的故障周期与测试结果以及现场产品的保修信息进行比较。通过截面确定破坏模式。结果用于评估加速可靠性测试中的故障是否表明现场设备存在较高的故障风险。评估了潜在的设计变化，以量化焊点预期寿命的变化。

焊点疲劳预测理论

自20世纪50年代末60年代初现代电子设计的基本结构确定以来，由于连接材料的不同膨胀和收缩导致的焊点退化一直是电子工业中的一个已知问题。对这种行为的初步评估大量借鉴了20世纪50年代早期对结构材料的观察，如汽车散热器[2]的焊接疲劳和钢的热疲劳。3-5由此得出的Coffin-Manson关系表明，失效的循环次数与特定热循环中经历的塑性应变或非弹性变形的大小呈幂律关系。

其中εf和c是经验推导出来的常数。该方法为低周(< 10,000次循环)疲劳行为提供了一个预测模型，并与高周(> 100,000次循环)疲劳的Basquin方程相结合，形成了在大范围使用条件下疲劳预测的统一方法，如图1所示。

虽然Coffin-Manson方程是基于对材料科学和力学的充分理解，但它很难应用于与电子封装相关的应用。焊料是电子封装中存在热机械疲劳风险的关键互连材料，其应用体积太小，无法直接测量塑料应变，而且几何形状太复杂，无法通过简单的力学模型求解(Coffin和Manson的原始论文使用平板几何形状作为例子)。

Norris和Landzberg[7]试图通过提出塑性应变主导共晶SnPb合金的热机械疲劳来解决这些缺陷，共晶SnPb合金是当时电子封装的主要焊料选择。在忽略弹性应变的影响下，Norris-Landzberg能够在温度变化和塑料应变之间建立直接关系。为了解释蠕变驱动塑性的影响，一种对高温钢较少关注的机制，诺里斯-兰兹伯格添加了基于循环频率(与停留时间直接相关)和最高温度的额外修正因子。

这种预测热循环下焊点寿命的方法被电子界广泛接受，在某种程度上，诺里斯-兰兹伯格方程是相关JEDEC资格文件JESD478和JESD94中引用的唯一技术。

诺里斯-兰兹伯格方程虽然非常实用，但有几个关键的局限性。最关键的是在没有试验数据的情况下无法进行疲劳预测。这有效地消除了Norris-Landzberg在任何设计活动中的使用。该方程还基于蠕变行为完全由温度和时间驱动的假设，而存在一个关键的施加应力元素。根据封装结构，不同热循环下施加应力的变化可能会产生更实质性的影响，然后通过频率和温度确定，可能会根据焊点配置和整体封装结构改变速率常数最后，该方程依赖于在两种环境中由相同机制驱动的塑性应变。正如变形图(图2)所示，根据温度和施加应力的特定组合，可以触发不同的原子级机制来诱导塑性和蠕变行为。这种方法的局限性最明显的是无法开发出用于无铅焊料(SAC305)的Norris-Landzberg等价物。11-12

Engelmaier进一步改进了焊料疲劳的预测，13他回到了Coffin Manson的原理，但使用了与焊点几何形状和SnPb钎料低周疲劳数据更相关的固体力学模型为了确定塑性应变或应变范围，Engelmaier假设平面内(剪切)稳态应变主导低周疲劳行为。这允许使用距离-中性点模型，其中C是几何相关常数(1/√2对于无铅陶瓷芯片载体)，LD是到中性点的对角线距离(假设为正方形/矩形形状)，Δα是模具/组件和衬底/印制板之间的热膨胀差，ΔT是热循环。Engelmaier通过对Wild数据进行曲线拟合，推导出εf和c，其中Ts为热循环期间的平均温度，f为热循环频率。

在某些方面，恩格尔迈尔模型甚至比诺里斯-兰茨伯格模型更成功。像Norris-Landzberg一样，使用Engelmaier模型所需的输入对实践工程师来说是可用的。它也被业界广泛采用，主要通过IPC SM-785.15。Engelmaier克服了诺里斯-兰兹伯格方法的一些局限性，包括与原始Coffin-Manson方法的紧密联系，无需测试就能预测疲劳性能，考虑到封装几何结构，以及实验疲劳结果的基础。

Engelmaier方法虽然在准确性和实用性方面优于以前预测低周焊接疲劳的尝试，但也有一些局限性。恩格尔迈尔方法的缺陷之一在于作为疲劳指数基础的怀尔德数据。Wild在25°C和100°C以每小时4到300次循环的速度进行了等温机械疲劳实验。这些温度范围高于室温，因此对较冷温度下的疲劳行为提供了有限的了解，其中蠕变机制减少，塑性驱动机制在疲劳行为中发挥更大的作用。循环频率高于大多数热循环测试条件，通常为每小时一(1)到两(2)次，远高于现场条件，现场条件可能需要几个小时才能经历一次热循环。这可以最大限度地减少蠕变机制的时间依赖性和由此产生的损伤演化。这种高估和低估蠕变效应的倾向可能有助于预测的准确性。

对Coffin-Manson和导出的Engelmaier模型的另一个挑战是他们假设塑性应变在整个温度循环中是恒定的。Hall的工作测量了一个滞后回线，其中应力-应变关系可能随着焊点暴露在一定温度范围内而急剧变化(见图3)。

重要的是要注意，迟滞回线的名义形状可以更均匀，这取决于施加的应力、温度和停留时间。霍尔诱导失效在小于500个周期内测量的周期，这通常太低，无法通过分析手段准确预测)。

额外的实验也证明了应变能和破坏周期之间的更一致的相关性，对几何形状或载荷方向的依赖较少这些观察到的行为需要转移到基于应变能的预测方案。布拉陶对恩格尔迈尔模型进行了修正，用应变能代替应变范围。

为了计算应变能，Blattau使用了基于位移方程的基础刚度模型来计算施加在焊点上的力，

其中LD为对角线长度(到中性点的距离)，E为弹性模量，A为面积，h为厚度，G为剪切模量，A为焊盘的边长，1为元件，2为板，s为焊点，c为焊盘，b为板。剪切应力可以通过力除以有效焊点面积来计算。

一旦计算出应变范围和剪切应力，就可以计算出应变能，假设滞回线大致为等边形状(图4)。

然后根据Syed所做的工作确定了破坏周期和应变能之间的关系，Syed 20证明了应变能和破坏周期之间的幂律关系，指数为-1。这种行为的基础是基于次级蠕变行为的第一原则。布拉陶方法将从原始Coffin-Manson方程导出的一阶方程与观察到的应变能依赖相结合，已在芯片组件和球栅阵列封装技术中得到验证(见图5)。

焊点预测-验证(功率循环)

几乎所有焊料预测模型都要经过验证过程，将预测结果与实验结果进行比较。这些验证过程可以是将测量到失败的时间与理论预测进行直接比较，也可以将实验结果与与模型算法相关的归一化参数相关联。大多数验证活动试图提供超过三个数量级的相关性，通常在100到10,000个周期之间。

等温测试往往是验证研究的主要工具。马里兰大学的一项研究确定，IEEE文献中报告的82%以上的测试条件是等温热循环这是正确的，即使最初对焊点疲劳的关注之一是受到电源循环的设备的性能。关于功率循环下焊料疲劳的文献主要集中在高功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)中常见的模附结构。22,23这种特定的结构并不一定适用于普通表面贴装(SMT)焊点，因为高度受限的层结构和无法直接监控或定义模具附着故障。

对标准表面贴装器件功率循环的有限研究主要集中在与等温循环或冲击的相关性。Popps等人的一篇早期论文显示，即使电源循环具有更长的停留时间(15分钟vs. 5分钟)和更快的斜坡速率(60°C/min vs. 20°C/min)，但电源循环的寿命增加了50%Li等人预测并观察到类似的失效循环次数的增加;25他们将这种行为差异归因于整个BGA包的大热梯度，这有效地提高了模影下BGA的热膨胀系数(CTE)，同时限制了对角线长度上的膨胀程度。

这些论文和其他关于SMT封装功率循环的研究的限制因素是时间通常小于10,000次。虽然这个循环次数可以被认为是低循环疲劳的外部界限(其他人认为塑性应变在10万次循环之外占主导地位)，但它没有考虑到在实际现场应用中，越来越多的应用预计会有数万次功率循环。为了节省能源，企业应用程序越来越多地关闭电源，要么进入睡眠模式，要么关闭。为了节省电池电量，消费者移动设备(智能手机、平板电脑和笔记本电脑)可以在三(3)到五(5)年的时间内每天经历10到50次电源循环，这可以导致在其生命周期内总共进行15,000到90,000次电源循环。类似的环境状况也开始在汽车应用中出现，启停技术每行驶4英里(4英里)就会断电12次。在城市里，平均每天开车25英里，这样算下来，十(10)年要骑行25万次。

本文的目的是为了更好地理解基于标准应变能的焊点低周疲劳模型在预测标准SMT封装在高功率循环次数下的行为方面的相关性。

实验的程序

射频电源进行了加速寿命试验(ALT)。这些机组的试验条件如下:

• 冷却液温度:
  • 进气温度:50°C /进水温度:45°C
• 输出功率循环:
  • 射频开启:4分钟/射频关闭:1分钟
• 输出负载:
  • 在50欧姆下工作两个月
  • 31.3 +J34.3(复杂负荷)4个月

在ALT过程中，有三个单元发生故障。电路故障排除确定故障位置为门驱动电路中的2512个电阻。在53,215个Output ON事件之后发起的最后一次失败。对RF Gate Drive电路中的2515个SMT电阻进行目视检查，发现焊点开裂的问题(见图6)。

为了更好地了解焊点开裂的程度，对RF Gate Drive电路中的所有8个电阻进行了横切，横切视图按图7中R2到R9的顺序显示。根据裂纹扩展路径和裂纹路径周围的相粗化，得出焊点裂纹是由低周疲劳引起的结论。典型的焊料疲劳图如图8所示，显示了失效的R5焊点的横截面根据原理图，R5焊点裂纹遵循从内端(后跟)开始并扩展到失效的“典型”路径。

为了更好地理解2512电阻器下焊接疲劳的驱动因素，将t型热电偶放置在栅极驱动电阻器上(见图9)。使用343970数据记录器记录温度，多个功率周期的电阻器温度数据图表如图10所示，峰值温度表如表1所示。

破坏行为与应变能模型的相关性

将热测量结果、设计结果和材料参数输入布拉陶模型，并与ALT结果进行比较。用于计算的输入如图11所示。焊点高度(h)为0.036 mm是使用未失效板上的电阻横截面确定的。

可以看出，由布拉陶模型提供的失效周期预测(50614个周期)在观测到失效时间(53215个周期)的5%以内。这些结果似乎表明，在这些条件下，即使停留时间短(4分钟)和循环次数高(>50,000)，塑料应变能仍然是焊接疲劳的关键驱动因素。

使用Han和Song27提出的专门针对芯片电阻的裂纹扩展进行了额外的建模，其中N =裂纹扩展寿命，a =裂纹长度，K3 = 0.0044 (SnPb的模型常数)，K4 = 1.3227 (SnPb的模型常数)，ΔWave =每个热循环的平均应变能密度变化。该方程忽略了裂纹萌生(区域1)，并假设寿命主要由裂纹扩展(区域2)决定。基于Han和Song模型，使用热数据和有限元分析(FEA)模拟确定ΔWave的范围。ΔWave被确定为0.020MPa，与ALT应用类似的操作剖面(5.67 min ON, 1.33 min OFF)。ALT失效发生在50°C的环境下，输出剖面为4min ON和1min OFF，相当于0.030 MPa。利用该应变能密度值和基于衬垫长度的1毫米临界裂纹长度，得到如下结果:

评估潜在的设计变更

改变电路设计、印刷电路板组装(PCBA)布局、材料或操作条件可用于提高ALT下2512电阻焊点的鲁棒性。由于其精度较高，布拉陶模型被用于评估特定设计更改将如何影响预期寿命。下表列出了建议的更改以及与基线相比对预期寿命的估计影响。

结论

基于应变能的一阶模型能够相对准确地预测50,000个功率循环，停留时间小于5分钟。这表明，塑性应变和蠕变在焊点疲劳中继续发挥关键作用，即使在倾向于超出典型低周疲劳的条件下。

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