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ANSYS在QFN板级焊点长期可靠性评估中的应用

 

作者:唐春文,吴正旺,叶裕明 (华为技术有限公司,深圳)

1 前言

随着电子通信产品不断向着无铅、高密小型化、高速传输方向发展,对封装焊点板级可靠性的挑战越来越大。作为一种无引脚(BottomTermination Components,BTC)面阵列封装器件, QFN在电子行业中应用非常广泛,其优点是成本低,封装尺寸小、轻、薄;电气性能好;散热性能好。

目前,QFN技术发展趋势包括无铅、die堆叠、双排或多排 IO、die/封装比逐渐增大、厚度变薄等,因此,工艺开发过程会面临越来越多的板级可靠性问题,最典型的是板级无铅焊点的热疲劳失效,这主要源于器件、焊点、PCB这几部分材料之间的 CTE失配。与常规 BGA封装相比, QFN这种无引脚封装器件的热疲劳问题更突出,因为其本身是与 PCB非常刚性的连接,而不能通过引脚或焊球缓解 CTE失配导致的热应力;而且封装尺寸较薄、 die/封装比较大,对周围结构因素的影响很敏感,比如 PCB底部焊接铝衬底、周围螺钉距离很近、 PCB装配过程的残余应力等等,这些结构因素也会进一步恶化 QFN焊点的长期可靠性。因此, QFN热疲劳寿命的预测及评估越来越重要,关注也越来越多。

在单板工艺开发初期,对 QFN板级焊点的热疲劳性能的预估非常关键,可以大大降低后期温循测试的可靠性风险。本文首先采用有限元仿真来预测焊点的热疲劳行为,然后结合测试结果拟合特征寿命曲线,为后续的工艺设计及新器件认证提供预测数据。在此基础上,对有限元仿真流程基于ANSYSAPDL做了二次开发,规范化和模块化常规的仿真操作,从而减少大量人工操作时间,也降低了工程人员仿真门槛。


图1 QFN实物照片及内部结构示意图

2 QFN焊点热疲劳寿命的预测

2.1 合金焊料的热疲劳寿命模型

QFN焊点温循过程的热疲劳失效是最常见的失效模式,往往会导致焊点裂纹甚至开路。焊点的温循热疲劳是典型的低周疲劳,因为在工作过程或温循测试过程,热应力往往会超过材料本身的屈服点而产生塑性应变,此时不会立即破坏,但是,当较大的温度变化反复进行,也就是当循环次数较多时,最终由于疲劳产生裂纹而导致破坏。

关于合金焊料的热疲劳寿命预测模型,依据不同的损伤指标划分,有下面两大类,一类基于塑性形变,即寿命循环数与每一循环焊点剪切塑性应变大小建立模型关系,这一类有Coffin-Manson,Engelmaier和Syed模型等;另一类基于损伤能量,即通过计算每一次循环的应变能或者应变能密度,从而得出与焊点寿命之间的关系,比较典型的是Darveaux模型,该模型近来应用比较广泛。

1、Coffin-Manson模型如下:

其中,Nf为疲劳寿命, Δεp为塑性应变幅,m为疲劳指数,C为疲劳延展率系数。

Darveaux模型如下:

其中,ΔW 为稳定蠕变状态下单位体积焊点每一循环中的塑性功增量,A和C为系数。在公式(2)基础上,还可将合金焊点失效过程分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段,分别得到这两个阶段的寿命。

塑性功增量ΔW,也称为非弹性功增量,它与焊点的热疲劳损伤密切相关。在应力-应变曲线中,塑性功密度W 等于应力-应变滞回环中塑性应变部分的面积大小。如下图所示:


图2 材料的滞回环曲线

2.2 无铅焊料本构模型

合金焊料在温循过程的应力 -应变滞回环直接决定了热疲劳寿命大小,而滞回环的面积又是由每个循环应变能决定,因此,了解合金焊料在温循过程中的力学本构行为至关重要。

业界常用 Anand热粘塑性模型来模拟合金焊点在温循过程中的热粘塑性行为,其表达式为:

此处dεp/dt为联合塑性应变(塑性应变与蠕变应变之和)率,即非弹性应变率;A是常数(sec-1);Q是激活能,m是应变敏感指数;ξ是应力乘子;σ为等效应力;k是气体温度;T是温度。材料参数可以通过焊料试样在不同温度下的拉伸或剪切测试获得。

Anand模型反映了粘塑性材料与应变速率、温度相关的形变行为,以及应变率历史效应、应变硬化和动态回复等特征。该模型在ANSYS中应用成熟,计算时CPU消耗小,求解速度快。在电子行业内,基于Anand的合金焊料本构模型应用非常普遍。下表是无铅SAC305的Anand参数列表。

表1 焊料Anand模型参数

2.3 ANSYS 实现步骤

无铅焊料温度循环导致的热疲劳实际是一个热-结构耦合过程,ANSYS对于多物理场的耦合问题具有很强的求解能力。此外,ANSYS丰富的材料本构模型,强大的非线性求解器,也对该问题的计算提供了强大的技术支持。

由于热-结构耦合问题是在后台求解,因此主要的工作是在ANSYS后处理中完成下面两个步骤:对最严酷单元(或单元层)的塑性功密度做体积均化处理(从而减少局部单元的应力奇异性)及计算最后一个循环的塑性功密度(或塑性应变能密度)增量。

具体实现步骤如下:

1)选定分析单元(粘塑性单元,如visco107等);

2)通过ETABLE命令得到这些选定单元在经过第一个循环后累积的塑性功密度,然后乘以每个单元相应的体积进行叠加,再将叠加结果除以分析单元的体积总和,从而得到第一个循环里单元的累积平均塑性功密度;

3)重复前面的步骤得到第n个稳定循环后总共累积的平均塑性功密度,减去第n-1个循环累积的平均塑性功密度,即可得到ΔWave 

式中i为单元号;vi是单元号为i的单元体积;N为选定的单元总数;ΔWi 是单元号为i的单元一个循环内的累积塑性功密度。

4)代入Darveaux方程可求得焊球的特征疲劳寿命Nf。

3 有限元仿真

下面针对无铅QFN 板级焊点热疲劳寿命进行仿真,PCB 板厚1.6mm,温循条件为0~100度(保持时间15分钟,升/降温时间15分钟,1h/cycle),一共仿真了四种不同尺寸的QFN。仿真过程包括创建有限元模型、设置材料属性、施加边界条件、后处理,以及热疲劳寿命曲线的拟合。

3.1 创建有限元模型

根据QFN 几何尺寸、工艺参数及周围结构特征,创建有限元模型。由于QFN 物理结构较简单,因此采用APDL 进行参数化建模,不仅简化了人工操作,也可以对模型做后续的参数化研究,找到影响QFN 焊点热疲劳寿命的主要因子,并进行参数优化。

表2 QFN工艺参数(单位:mm)

下图是通过APDL 划分的有限元网格,在比较关心的焊点区域进行了网格细化。

图3 划分有限元网格

3.2 材料属性

材料属性如下表所示,SAC305焊料采用Anand 粘塑性模型,以模拟温循过程焊料的蠕变行为,该蠕变行为强烈依赖于时间、温度和应力状态。

表3 材料属性列表

3.3 边界条件

采用1/4模型,在对称平面施加对称边界条件,并在对称面交界位置取一顶点限制Z 向位移,以控制模型的刚体位移。温度循环曲线也采用APDL 语言编写,一共运行5个cycle,用do 循环实现。其曲线参数与实际温循条件一致,如下图所示。

图4 温度循环边界条件

3.4 仿真后处理

后处理首先获得最危险位置塑性应变云图,并与实测样本的切片进行比较,从而判断仿真模型的可信度。从其中一款QFN 的仿真及实测对比来看,失效位置及裂纹形态均均与仿真比较符合,如下图所示。

图5 仿真与实测的对比

接着绘制焊最严酷位置单元的滞回环曲线及累积塑性功密度曲线。

材料的滞回环表征了焊点材料随加载过程的应力应变曲线,从下面左图可以看出,材料响应曲线随着升温-保持-降温-保持的循环,形成一个封闭的滞回环,滞回环面积的大小即为单元一个循环内的累积塑性功密度大小(或非弹性应变能),相邻两个滞回环面积的差值即为塑性功密度增量。

通常滞回环在3~5个循环后达到稳定,再计算第5循环的塑性功密度增量ΔW ,如下面右图所示。仿真模型经试验结果修正后,后续可用该值来预测焊点的热疲劳寿命。


图6 QFN焊点滞回环曲线及塑性功密度增量

3.5 热疲劳寿命曲线的拟合

仿真后处理可得到最严酷位置单元的塑性功密度增量ΔW ,根据Darveaux 模型,ΔW 与热疲劳寿命Nf 之间的关系满足公式(2)。

Nf取试验特征寿命(63.2%失效率),四款QFN 的ΔW  和Nf如下表所示。

表4 四款QFN的ΔW 和Nf列表

拟合曲线如下图所示。从该曲线可以看出,ΔW 越大,则Nf越小,表现为焊点长期可靠性越低。因此,后续要提升QFN 板级焊点长期可靠性,应尽可能减小ΔW  。


图7 QFN热疲劳寿命拟合曲线

4 因子影响分析

由于有限元模型采用APDL 创建,因此可以很方便的进行因子分析。研究的因子包括:Die size,CTE 大小,封装尺寸,standoff,fillet 和板厚等。

通过一系列仿真,并对仿真结果进行了归一化处理,绘制表格如下图。可以看出,影响QFN 焊点热疲劳可靠性最显著的因子是Die 尺寸,其次是pcb 的 CTE 大小,接着是封装尺寸大小和standoff。


图8 因子影响分析结果

因此,要对某一款QFN进行热疲劳性能优化时,首选的是尽量改用die尺寸小的QFN,另外,选取较低CTE的PCB板材,改用小尺寸QFN,增大standoff,减小板厚等都是优化方向,而pitch则影响不大。

6 结论

通过有限元仿真结合实验结果的方式,在基于Darveaux热疲劳模型的基础上,建立了QFN无铅焊点热疲劳寿命曲线,并借助APDL强大的参数化功能,研究了不同因子对焊点热疲劳寿命的影响,结果表明,die尺寸、PCB和塑封的CTE、封装大小是影响最显著的几个因子。

· 2019-02-18 13:49  本新闻来源自:IC封装设计,版权归原创方所有

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