白皮书

预测高功率循环下焊点的疲劳

通过克雷格·希尔曼，内森Blattau,马特花边

---

连接到印刷电路板上的SMT元件的焊点可靠性是有据可查的。然而，大部分测试和数据与产品资格测试(即-55°C至125°C)相关的高应变能热循环实验有关。关于焊点的低应变、高周疲劳行为的信息相对较少，尽管由于节能休眠模式、带宽使用和计算要求的高变化以及许多电源应用中的正常操作概况，这在许多应用中越来越普遍。

在本文中，2512个片式电阻器经受了高(bbb50,000)次短持续时间(<10分钟)的功率循环。环境条件和相关材料特性被记录下来，这些信息被输入到一些已发表的焊点疲劳模型中。讨论了每个模型的要求、其方法(裂纹扩展或损伤积累)以及与高周疲劳的相关性。将预测周期与测试结果以及现场产品的保修信息进行比较。通过截面分析确定了失效模式。结果用于评估加速可靠性测试期间的故障是否表明现场单元存在较高的故障风险。对潜在的设计变化进行了评估，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完成以来，由于连接材料的差异膨胀和收缩而导致的焊点退化一直是电子工业中已知的问题。对这种行为的初步评估在很大程度上借鉴了20世纪50年代早期对结构材料的观察，例如汽车散热器[2]的焊料疲劳和钢的热疲劳。3-5由此得出的Coffin-Manson关系表明，在特定的热循环过程中，循环次数与塑性应变或非弹性变形的大小呈幂律关系。

其中εf和c为经验推导常数。该方法提供了低周(< 10,000次循环)疲劳行为的预测模型，并与高周(> 100,000次循环)疲劳的Basquin方程相结合，形成了一个统一的方法，可以在大范围的使用条件下进行疲劳预测，如图1所示。

虽然Coffin-Manson方程是基于对材料科学和力学的良好理解，但很难实现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，它的应用体积太小，无法直接测量塑性应变，而且几何形状太复杂，无法通过简单的力学模型来解决(Coffin和Manson的原始论文以平板几何形状为例)。

Norris和Landzberg试图通过提出塑性应变主导共晶SnPb合金(当时电子封装的主要焊料选择)的热机械疲劳来解决这些缺陷。在忽略弹性应变的影响下，Norris-Landzberg能够得出温度变化与塑性应变之间的直接关系。为了考虑蠕变驱动塑性的影响，Norris- Landzberg根据循环频率(与停留时间直接相关)和最高温度添加了额外的校正因子。蠕变驱动塑性是一种对高温钢较少关注的机制。

这种预测热循环下焊点寿命的方法被电子行业广泛采用，以至于Norris-Landzberg方程是相关JEDEC资格文件JESD478和JESD94中唯一引用的技术。

Norris-Landzberg方程虽然非常实用，但它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，而存在一个临界应用应力元素。根据封装结构的不同，不同热循环下施加应力的变化可能会产生比通过频率和温度确定的更实质性的影响，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。正如变形图所示(图2)，根据温度和外加应力的具体组合，可以触发不同的原子水平机制来诱导塑性和蠕变行为。这种方法的局限性最明显的表现是无法开发出适用于无铅焊料(SAC305)的Norris-Landzberg等效材料

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焊料低周疲劳数据更相关的固体力学模型14为了确定塑性应变或应变范围，Engelmaier假设面内(剪切)稳态应变主导低周疲劳行为。这允许使用距离中性模型，其中C是几何相关常数(1/√2为无引线陶瓷芯片载体)，LD是从中立点的对角线距离(假设为正方形/矩形)，Δα是模具/组件和基板/印制板之间的热膨胀差，ΔT是热循环。然后Engelmaier通过对Wild数据的曲线拟合得到εf和c，其中Ts为热循环期间的平均温度，f为热循环的频率。

在某些方面，恩格尔迈尔模型甚至比诺里斯-兰茨贝格模型更成功。像诺里斯-兰茨伯格一样，使用恩格尔迈尔模型所需的输入对实践工程师来说是可用的。Engelmaier克服了Norris-Landzberg方法的一些局限性，包括与原始Coffin-Manson方法的紧密联系，无需测试即可预测疲劳性能的能力，考虑封装几何形状，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先前预测低周期焊料疲劳的尝试，但也有一些局限性。恩格尔迈尔方法的缺陷之一在于作为其疲劳指数基础的Wild数据。Wild在25°C和100°C下进行了等温机械疲劳实验，每小时循环4到300次。这些温度范围高于室温，因此对较冷温度下的疲劳行为的了解有限，在较冷温度下，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，通常是每小时1(1)到2(2)，远远高于现场条件，可能需要几个小时才能完成一个热循环。这具有最小化蠕变机制的时间依赖性和由此产生的损伤演变的效果。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。

Coffin-Manson和推导出的Engelmaier模型面临的另一个挑战是，他们假设塑性应变在整个温度循环中是恒定的。霍尔的工作测量了一个滞后回路，当焊点暴露在一定温度范围内时，应力-应变关系可能会发生巨大变化(见图3)。

值得注意的是，根据施加的应力、温度和停留时间的不同，滞回线的标称形状可以更加均匀。霍尔测量的周期小于500个周期(通常太低，无法通过分析方法准确预测)。

额外的实验也证明了应变能和循环失效之间更一致的相关性，与几何形状或载荷方向的依赖关系更小这些观察到的行为需要转向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改，用应变能代替应变范围。

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

式中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为键合垫的边长，1为元件，2为板，s为焊点，c为键合垫，b为板。然后可以通过将力除以有效焊点面积来计算剪切应力。

一旦计算出应变范围和剪应力，则假设迟滞回线的形状大致为等边(图4)，即可计算应变能。

然后根据Syed所做的工作确定了失效循环和应变能之间的关系，他证明了应变能和失效循环之间的幂律关系，指数为-1。这种行为的基础是基于次级蠕变行为的第一原理。blatttau方法结合了从原始Coffin-Manson方程导出的一阶方程和观察到的对应变能的依赖，已经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)

几乎所有的焊料预测模型都要经过一个验证过程，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的失败时间与理论预测进行直接比较，或者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手段。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，即使最初关注的焊接疲劳之一是设备的性能受到电源循环。大多数关于功率循环下焊料疲劳的出版物都集中在大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)中常见的贴片结构上。22,23这种特殊的结构并不一定适合普通的表面贴装(SMT)焊点，因为其高度受限的层结构和无法直接监控或定义晶片连接故障。

关于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关系上。Popps等人早前的一篇论文显示，电源循环的寿命增加了50%，尽管电源循环的停留时间更长(15分钟vs. 5分钟)，斜坡速率更快(60°C/min vs. 20°C/min)Li等人预测并观察到了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横跨BGA封装的大热梯度，这有效地增加了BGA在模具阴影下的热膨胀系数(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次循环。虽然这个循环次数可以被认为是低循环疲劳的外部边界(其他人认为塑性应变在100,000次循环中占主导地位)，但它没有考虑到在实际的现场应用中，越来越多的应用预计会有数万次的功率循环。企业应用程序越来越少地关闭电源，要么进入睡眠模式，要么关闭，以节省能源。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)年的时间里每天经历10到50次的充电循环，这可能导致其整个生命周期总共有15,000到90,000次的充电循环。类似的环境问题也开始在汽车应用中出现，在汽车领域，启停技术每行驶4英里就会导致12次断电。以城市平均每天行驶25英里计算，在十(10)年里，这意味着要循环25万次。

本文的目的是为了更好地理解基于标准应变能的低周疲劳模型在预测标准SMT封装在高功率循环下的行为中的相关性。

实验的程序

对射频电源进行加速寿命试验(ALT)。这些装置的试验条件如下:

• 冷却液温度:
  • 进风口温度:50℃/进水温度:45℃
• 输出功率循环:
  • RF ON: 4分钟/ RF OFF: 1分钟
• 输出负载:
  • 在50欧姆下工作两个月
  • 4个月，31.3 +J34.3(复杂负载)

三个单元在ALT期间失效。电路故障排除确定故障地点为栅极驱动电路中的2512个电阻。在53,215个Output ON事件之后发起的最后一次失败。对射频栅极驱动电路中的2515 SMT电阻器进行目视检查，发现焊点开裂问题(见图6)。

为了更好地了解焊点开裂的程度，对RF栅极驱动电路中的所有8个电阻进行了横切，横切视图按图7中从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观察，认为焊点裂纹是由低周疲劳引起的。图8显示了典型焊料疲劳的示意图，其中显示了失效R5焊点的横截面根据原理图，R5焊点裂纹遵循“典型”路径，从内端(后跟)开始扩展，直到发生失效。

为了更好地理解2512电阻下焊料疲劳的驱动因素，将t型热电偶放置在栅极驱动电阻上(见图9)。使用343970数据记录器记录温度，图10显示了多个电源周期的电阻温度数据曲线图，表1显示了峰值温度表。

破坏行为与应变能模型的相关性

将热测量结果、设计和材料参数输入到Blattau模型中，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，使用未失效板上电阻的横截面确定。

可以看出，Blattau模型提供的失效预测周期数(50,614个周期)在观测到的失效时间(53,215个周期)的5%以内。这些结果似乎表明，在这些条件下，塑性应变能仍然是焊料疲劳的关键驱动因素，即使考虑到较短的停留时间(4分钟)和较高的循环次数(50万次)。

使用Han和Song27专门针对片式电阻提出的裂纹扩展模型进行额外建模，其中N =裂纹扩展寿命，a =裂纹长度，K3 = 0.0044 (SnPb模型常数)，K4 = 1.3227 (SnPb模型常数)，ΔWave =每个热循环的平均应变能密度变化。该方程忽略裂纹起裂(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。在与ALT应用相似的操作剖面(5.67 min ON, 1.33 min OFF)下，ΔWave被确定为0.020MPa。ALT故障发生在50°C环境下，输出曲线为4min ON和1min OFF，相当于0.030 MPa。利用该应变能密度值和临界裂纹长度为1mm，根据焊垫长度，可以得到:

评估潜在的设计变更

电路设计、印刷电路板组装(PCBA)布局、材料或操作条件的变化可用于提高ALT下2512电阻焊点的稳健性。由于其更高的精度，使用Blattau模型来评估特定设计变化对预期寿命的影响。下表列出了建议的变更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在停留时间小于5分钟的情况下相对准确地预测出50,000个功率循环。这表明，塑性应变和蠕变继续在焊点疲劳中发挥关键作用，即使在可能超出典型低周疲劳的条件下也是如此。

欲了解更多信息，并要求Ansys可靠性工程服务团队报价，请访问:万博https://upl.inc/a5b0679