电子封装板级冲击、振动行为表征及焊点失效特征分析

关键词：焊点；失效特征；冲击振动；线路板；数字采集典型图片

微电子封装技术不断向高密度方向发展，板级焊点尺寸不断减小，抵抗力学载荷能力大幅下降。迅猛发展的移动便携设备、汽车电子的内部元器件极易遭受冲击、振动等载荷作用，为板级封装焊点的力学可靠性带来了新的挑战。

文中采用虚拟仪器测量、有限元分析及力学解析等方法就板级冲击、振动作用下的板级响应，焊点载荷及失效等问题开展了如下几方面工作：

（1）从现有工业界跌落冲击测试标准（JEDEC）入手，采用应变测量及数值模拟的方法，分析了跌落冲击中的板级响应，全面阐述了板级形变分布、模态振型、阻尼效应等重要板级响应特征。基于板级应变数据分析了不同位置的弯曲模态，比较了不同阶次模态对于形变的贡献。结果表明，线路板中心区域的形变由一阶模态主导，线路板固定处的宽度方向中心区域呈现高阶模态特征。线路板最大应变分布在板长度方向的中心区域，主应变极值与长度方向应变极值近似相等且同步出现。基于板级应变幅值衰减数据建立了依赖形变幅度变化的阻尼比系数模型。

（2）采用应变测量和力学解析相结合的方法分析了跌落冲击过程中板级封装结构的形变特征。利用元件及线路板上不同位置测量的应变值差异，表征了板级互联焊点的受力特征。结果表明，焊点阵列外围区域应力集中现象严重，载荷强度约为阵列内部区域的6倍以上；线路板应变幅值约为对应元件表面应变幅值的5倍，采用物理测量和力学解析相结合的方法逐步建立了跌落冲击过程中板级封装结构特定位置应变与微焊点形变的关系模型。

（3）采用业界跌落试验标准进行了2种跌落冲击试验，对失效数据进行统计分析，采用Weibull函数建立了元件寿命的估计模型，比较分析了不同位置元件的寿命数据与应变测量数据。得出了元件边缘板级应变幅值越高元件寿命越短的对应关系；拟合焊点寿命与对应板级应变幅值数据，发现二者符合SN曲线的幂函数关系。

（4）应用受迫振动理论和有限元模拟方法，研究了板级受迫振动的响应特征。分析了激励载荷与板级响应之间的关系，模拟了线路板在不同激励条件下的谐波振动位移及板上应变水平，讨论了激励频率、水平及系统阻尼对于线路板振动响应的影响规律。结果表明，谐波激励的线路板最终处于恒定振幅的往复运动，振幅大小与激励加速度成正比，达到稳定振幅所需时间主要决定于系统阻尼比系数和频率比。受迫振动呈现出显著的频率敏感性，0.007 5 Hz的频率比偏差可导致振幅相差3倍以上。

（5）设计了基于谐波激振的板级封装焊点失效试验，控制谐波激振频率稳定于一阶固有频率，调节加速度水平载荷获得不同的载荷强度。利用虚拟仪器搭建板级焊点失效监测系统，采集振动过程中焊点的电阻值变化，获得了高应变速率载荷下焊点失效的数字化过程。结果表明，谐振载荷下焊点的典型失效过程主要分为4个阶段：无宏观裂纹阶段（裂纹萌生阶段）；裂纹形成并快速扩展阶段；裂纹稳态扩展阶段；完全失效阶段。其中第一阶段和第三阶段时间相对较长。

（6）从载荷特征、板级响应和元件寿命等方面比较了跌落冲击和谐波振动2种力学试验方法，初步建立了2种试验方法在相同板级应变幅值条件下的寿命关系。结果表明，当激振条件为20 g加速度峰值， 200 Hz激励频率时，谐振达到稳定后可获得近似于JEDEC板级跌落测试的形变幅值，相同幅值作用下谐振试验达到焊点失效所需的载荷周次，约为跌落试验周次的10倍。2种试验方法中，失效焊点具有相近的裂纹形貌。

图1中振动试验条件为峰值加速度20 g，振动频率200 Hz，跌落试验条件按JEDEC跌落测试标准，应变测量结果显示2种测试方法导致线路板产生相近的峰值应变。图2中给出了不同载荷强度位置的寿命数据以及应变幅值与焊点寿命的关系。结果显示应变幅值越大的位置焊点寿命越短，应变幅值与焊点寿命符合指数关系模型。

图3a中，采用监测焊点阻值变化获得了焊点裂纹扩展的进程数据；图3b显示了整个失效进程的不同阶段；图3c为失效的焊点组织。结果显示焊点失效过程主要分为4个阶段：无宏观裂纹阶段、裂纹形成并快速扩展阶段、裂纹稳态扩展阶段、完全失效阶段。其中第一阶段和第三阶段时间相对较长。