CN103810331A - 一种印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法 - Google Patents

Abstract

一种印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，步骤如下：1，根据过孔结构和主要失效模式，选取关键几何尺寸；2，确定分析过程中参照的失效机理模型为Mirman模型和增强型IPC模型；3，在相互独立前提下，利用FEA、Mirman模型、增强型IPC模型，分别对镀层厚度、过孔半径、印制板板厚三种几何尺寸对过孔寿命的影响进行分析；4，考虑几何尺寸间相互作用，应用FEA和增强型IPC模型分析三种由两种几何尺寸组成的表征参数；5，总结印制电路板过孔几何尺寸对其寿命的影响，提出提高过孔寿命的几何尺寸设计原则。本发明选取了适于分析几何尺寸影响的模型，给出了分析过孔几何参数对其寿命影响趋势分析的具体方法，便于实际分析与应用。

Description

一种印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法

所属技术领域

本发明涉及一种印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，属于失效物理技术领域。

背景技术

印制电路板上过孔的出现，大大减少了层状线的连接，从而减少了所需空间，提高了封装密度。随着微点子技术的发展，印制电路板厚度的增加，以及过孔直径的减少使得过孔的完好性在装配过程和随后使用中成为了印制电路板可靠性的主要关注点。由过孔材料和印制电路板材料的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的热机械应力是造成过孔失效的主要原因。由此造成的孔壁镀层材料断裂、基板孔壁结合处断裂以及镀层与印制电路板分离等过孔失效会导致电路电力中断，从而导致整个印制电路板的失效。

研究发现，除了材料特性，过孔的几何尺寸亦对过孔的寿命有很大影响。不同的几何尺寸会影响过孔的应力和应变情况，从而影响其寿命。工业生产中，要根据实际工艺水平和制造成本，合理设计过孔几何尺寸，在保证生产和成本的前提下，尽量提高可靠性，延长使用寿命。而过孔尺寸的合理设计，需要知道几何尺寸对其寿命的影响趋势。

鉴于此，需要一种确定印制电路板上过孔几何尺寸对其寿命影响趋势的分析方法。在总结国内外现有研究成果的基础上，结合试验数据、有限元分析(FiniteElement Analysis，FEA)结果,对比分析了Mirman模型和增强型IPC（AssociationConnecting Electronics Industries，电子工业协会）模型在该方法中的适应性，提出了一种确定印制电路板上过孔几何尺寸对其寿命影响趋势的分析方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种印制电路板上过孔几何尺寸对其寿命影响的分析方法，通过选取关键几何尺寸，分析其对过孔寿命的影响，从而优化生产过程中过孔尺寸，提高过孔可靠性和寿命。

首先引入七个定义。

定义1：过孔：贯穿印制电路板顶层和底层的在壁上镀有金属的用以实现电气连接的孔。

定义2：镀层厚度：指过孔孔壁上金属镀层的厚度。

定义3：过孔半径：指过孔与印制电路板接触的圆筒状部分外壁半径。

定义4：有效焊盘直径：指印制电路板顶层或底层上过孔焊盘的外圆直径。

定义5：过孔纵横比：指印制电路板板厚与过孔半径的比值。

定义6：增强型IPC模型：指由谢劲松提出的考虑了铜和树脂表面剪切应力和包括过孔材料特性和几何特性等不同因素的改进IPC模型。IPC模型是电子工业协会（Association Connecting Electronics Industries）使用的用于评估过孔应力的失效机理模型。

定义7：Mirman模型：指由Mirman,B.A.提出的用于评估过孔应力的模型，其基本假设与IPC模型类似，但简化了焊盘结构。

本发明的技术方案：选取制造生产中过孔关键几何尺寸；确定分析过程中参照的失效机理模型；在相互独立前提下，针对前面选取的三种几何尺寸，应用FEA与Mirman模型、增强型IPC模型，分析各几何尺寸对过孔寿命的影响；考虑几何尺寸间相互作用，应用相同的方法，分析两种几何尺寸组成的表征参数对过孔寿命的影响；总结各几何尺寸对过孔寿命的影响，形成印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响的分析方法。

本发明一种印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响的分析方法，其步骤如下：

步骤1，根据过孔结构和主要失效模式，选取关键几何尺寸：镀层厚度、过孔半径、印制板板厚；

步骤2，确定分析过程中参照的失效机理模型为Mirman模型和增强型IPC模型；

步骤3，在相互独立前提下，利用FEA、Mirman模型、增强型IPC模型，分别对镀层厚度、过孔半径、印制板板厚三种几何尺寸对过孔寿命的影响进行分析。

步骤4，考虑几何尺寸间相互作用，应用FEA和增强型IPC模型分析三种由两种几何尺寸组成的表征参数：过孔纵横比、印制电路板板厚和镀层厚度比、有效焊盘直径和过孔半径比对过孔寿命的影响；

步骤5，总结印制电路板过孔几何尺寸对其寿命的影响，提出提高过孔寿命的几何尺寸设计原则；

其中，在步骤1中所述的“选取关键几何尺寸”，选取方法为：过孔的结构主要包括镀层孔壁和外部焊盘，其中关键的几何尺寸有过孔半径、镀层厚度、印制电路板板厚、有效焊盘直径及相邻过孔间距，通过这些几何尺寸能够确定过孔的几何形状。此外，热应力下过孔的主要失效模式为镀层孔壁中心断裂或破裂失效。因此，根据过孔的结构和主要失效模式选取了关键几何尺寸：镀层厚度、过孔半径、印制板板厚。

其中，在步骤2中所述的“确定分析过程中参照的失效机理模型为Mirman模型和增强型IPC模型”，确定方法为：Mirman模型和增强型IPC模型在模型公式中均包含步骤1中拟定分析的几何尺寸参数，便于分析过孔几何尺寸与过孔应力、过孔寿命的关系，因此确定以上两种模型用于后续分析过程中。

其中，在步骤3中所述的“分别对镀层厚度、过孔半径、印制板板厚三种几何尺寸对过孔寿命的影响进行分析”，影响分析的内容包括：Mirman模型、增强型IPC模型和FEA结果一致性分析，几何尺寸与过孔应力变化关系分析，为提高过孔寿命的几何尺寸优化分析；影响分析的方法为：应用Mirman模型和增强型IPC模型分别绘制单一几何尺寸（如镀层厚度）与过孔应力的关系图，分析各模型相应的结果是否符合FEA结果。选取符合FEA结果的模型，根据几何尺寸与过孔应力的关系图，确定过孔应力尽可能低处的几何尺寸作为提高过孔寿命的优化尺寸。

其中，在步骤4中所述的“应用FEA和增强型IPC模型分析三种由两种几何尺寸组成的表征参数”，分析内容包括：增强型IPC模型和FEA结果一致性分析，各表征参数和过孔应力变化关系与敏感程度分析，为提高过孔寿命的表征参数优化分析；分析方法为：应用增强型IPC模型绘制步骤4中所述的表征参数与过孔应力关系图，验证增强型IPC模型结果与FEA结果的一致性。根据增强型IPC模型绘制的表征参数与应力关系图，分析相同表征参数变化带来的应力大小变化，即表征参数敏感程度分析。根据敏感程度分析结果，过孔纵横比对过孔寿命影响最大，所以设计几何尺寸时应选用适当的过孔纵横比，此外应选用较小的印制电路板板厚和镀层厚度比，而有效焊盘直径和过孔半径比是可以忽略的。

其中，在步骤5中所述的“提出提高过孔寿命的几何尺寸设计原则”，提出的设计原则为：设计生产中，在允许的范围内，适当增加过孔半径和镀层厚度，减少印制电路板板厚，选择适当的过孔纵横比，能够减小过孔应力，从而提高过孔可靠性，延长过孔寿命。

本发明与现有技术相比有如下优点：

第一，本发明从现有的各种失效机理模型中，选取了适于分析几何尺寸影响的模型，便于实际分析与应用。

第二，本发明从实验的角度给出了分析过孔几何参数对其寿命影响趋势分析的具体方法。

附图说明

图1为本发明所述方法流程图

图2为FEA、Mirman模型、增强型IPC模型对应的镀层厚度和应力关系图

图3为FEA、Mirman模型、增强型IPC模型对应的过孔半径和应力关系图

图4为FEA、Mirman模型、增强型IPC模型对应的印制电路板板厚和应力关系图

图5为增强型IPC模型中三种几何尺寸比值与应力关系图

图6为FEA分析中三种几何尺寸比值与应力关系图

图2-6中符号说明如下：

Mirman model：Mirman模型

Enhanced IPC model：增强型IPC模型

FEA：有限元分析

L：指应力值对应左侧纵轴坐标

R：指应力值对应右侧纵轴坐标

Stress：应力

Plating thickness：镀层厚度

Hole Radius：过孔半径

Board thickness:印制板板厚

l/r0：过孔纵横比

l/t：印制电路板板厚和镀层厚度比

R/r0：有效焊盘直径和过孔半径比

Three Ratios：指过孔纵横比、印制电路板板厚和镀层厚度比、有效焊盘直径和过孔半径比

具体实施方式

本发明所述的一种印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响趋势分析方法，见图1所示，该方法的具体实施方式步骤如下：

步骤1，根据过孔结构和主要失效模式，选取关键几何尺寸：镀层厚度、过孔半径、印制板板厚；

步骤2，确定分析过程中参照的失效机理模型为Mirman模型和增强型IPC模型；

增强型IPC模型：

当σ≤S_Y时

$\mathrm{\σ}\left(z\right)=[1-{\left(\frac{z}{l}\right)}^3]\×\frac{4}{3\mathrm{\β}}({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cu}})E_{\mathrm{Cu}}\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ϵ}\left(z\right)=\frac{\mathrm{\σ}\left(z\right)}{E_{\mathrm{Cu}}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}\≡\frac{{4E}_{\mathrm{Cu}}}{G_E}[-\frac{f_1^{\′}(R/r_0)}{f_2^{\′}(R/r_0)}]\·\frac{r_0}{l}\·\frac{t}{l}+1---\left(3\right)$

$-\frac{f_1^{\′}(R/r_0)}{f_2^{\′}(R/r_0)}={\left\{\frac{5}{2}\right[(\frac{1}{4}-\frac{r_0}{l})e^{{(\frac{R}{r_0}-1)}^{-2}}+(\frac{3}{4}\·\frac{r_0}{l}+\frac{1}{5})\left]\right\}}^{l/r_0}---\left(4\right)$

式中，σ为过孔壁应力，S_Y为过孔壁铜的屈服强度，σ(z)为过孔壁应力分布函数，ε(z)为过孔壁应变分布函数，z为过孔轴向坐标，α_E为环氧系数，α_Cu铜系数，ΔT为热循环温度范围，E_Cu为铜的弹性模量，E_E为印制电路板弹性模量，t=为过孔壁铜层厚度，l=H/2为印制电路板厚度的一半，G_E为印制电路板剪切模量，r₀为过孔直径，R为有效焊盘直径。

Mirman模型：

$z=\frac{t_b}{t_m}(1+0.75/(1+u)\log (R/r_0))---\left(6\right)$

$u=(R-r_0)\sqrt[4]{{6E}_E/\left({\mathrm{Et}}^{3}H\right))}---\left(7\right)$

△(αT°)=(α_E-α_Cu)△(T°)                   （8）

$F\left(u\right)=u\frac{1+{\cos }^2\left(u\right)/{\cosh }^2\left(u\right)}{\tanh \left(u\right)+\sin \left(u\right)\cos \left(u\right)/{\cosh }^2\left(u\right)}---\left(9\right)$

式中σ为过孔壁应力分布函数，z为过孔轴向坐标，α_E为环氧树脂系数，α_Cu为铜系数，E为焊盘材料弯曲模量，E_Cu为铜的弹性模量,E_E为印制电路板弹性模量,H为印制电路板板厚,t_b为过孔壁平均厚度,t_m为过孔壁最小厚度,t为焊盘厚度,R为焊盘半径，r₀为过孔直径，Δ(T°)为温差。

步骤3，在相互独立前提下，利用FEA、Mirman模型、增强型IPC模型，分别对镀层厚度、过孔半径、印制板板厚三种几何尺寸对过孔寿命的影响进行分析。

步骤301，利用FEA、Mirman模型、增强型IPC模型计算不同镀层厚度下过孔应力值，绘制镀层厚度与应力关系图，见图2所示，对比以上三种方法结果的一致性，分析镀层厚度对过孔应力及寿命的影响。

步骤302，利用上述方法分析过孔半径对过孔寿命的影响，其中过孔半径与应力关系图见图3。

步骤303，利用上述方法分析印制电路板板厚对过孔寿命的影响，其中印制电路板板厚与应力关系图见图4。

步骤4，考虑几何尺寸间相互作用，应用FEA和增强型IPC模型分析三种由两种几何尺寸组成的表征参数：过孔纵横比、印制电路板板厚和镀层厚度比、有效焊盘直径和过孔半径比对过孔寿命的影响，见图5、图6所示。分析发现，过孔纵横比对过孔应力的影响最大，适当的过孔纵横比能够增加过孔寿命；

步骤5，总结印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响，提出提高过孔寿命的几何尺寸设计原则。

分析发现，选取的两种失效机理模型中，增强型IPC模型对过孔各项几何尺寸变化最为敏感，且其结果与实验结果符合，适用于对几何尺寸影响的快速分析评估。在比较了各几何尺寸后，发现由两种几何尺寸组成的表征参数中过孔纵横比对过孔寿命影响最大。此外，设计生产中，在允许的范围内，适当增加过孔半径和镀层厚度，减少印制电路板板厚，选择适当的过孔纵横比，能够减小过孔应力，从而提高过孔可靠性，延长过孔寿命。

Claims (6)

1.一种印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1，根据过孔结构和主要失效模式，选取关键几何尺寸：镀层厚度、过孔半径、印制板板厚；

步骤2，确定分析过程中参照的失效机理模型为Mirman模型和增强型IPC模型；

步骤3，在相互独立前提下，利用FEA、Mirman模型、增强型IPC模型，分别对镀层厚度、过孔半径、印制板板厚三种几何尺寸对过孔寿命的影响进行分析；

步骤4，考虑几何尺寸间相互作用，应用FEA和增强型IPC模型分析三种由两种几何尺寸组成的表征参数：过孔纵横比、印制电路板板厚和镀层厚度比、有效焊盘直径和过孔半径比对过孔寿命的影响；

步骤5，总结印制电路板过孔几何尺寸对其寿命的影响，提出提高过孔寿命的几何尺寸设计原则。

2.根据权利要求1所述的印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，其特征在于：步骤1中所述的“选取关键几何尺寸”，选取方法为：过孔的结构包括镀层孔壁和外部焊盘，其中关键的几何尺寸有过孔半径、镀层厚度、印制电路板板厚、有效焊盘直径及相邻过孔间距，通过这些几何尺寸能够确定过孔的几何形状；此外，热应力下过孔的主要失效模式为镀层孔壁中心断裂及破裂失效,因此，根据过孔的结构和主要失效模式选取了关键几何尺寸：镀层厚度、过孔半径、印制板板厚。

3.根据权利要求1所述的印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，其特征在于：步骤2中所述的“确定分析过程中参照的失效机理模型为Mirman模型和增强型IPC模型”，其确定方法为：Mirman模型和增强型IPC模型在模型公式中均包含步骤1中拟定分析的几何尺寸参数，便于分析过孔几何尺寸与过孔应力、过孔寿命的关系，因此确定以上两种模型用于后续分析过程中。

4.根据权利要求1所述的印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，其特征在于：步骤3中所述的“分别对镀层厚度、过孔半径、印制板板厚三种几何尺寸对过孔寿命的影响进行分析”，其影响分析的内容包括：Mirman模型、增强型IPC模型和FEA结果一致性分析，几何尺寸与过孔应力变化关系分析，为提高过孔寿命的几何尺寸优化分析；其影响分析的方法为：应用Mirman模型和增强型IPC模型分别绘制单一几何尺寸与过孔应力的关系图，分析各模型相应的结果是否符合FEA结果，选取符合FEA结果的模型，根据几何尺寸与过孔应力的关系图，确定过孔应力尽可能低处的几何尺寸作为提高过孔寿命的优化尺寸。

5.根据权利要求1所述的印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，其特征在于：步骤4中所述的“应用FEA和增强型IPC模型分析三种由两种几何尺寸组成的表征参数”，其分析内容包括：增强型IPC模型和FEA结果一致性分析，各表征参数和过孔应力变化关系与敏感程度分析，为提高过孔寿命的表征参数优化分析；其分析方法为：应用增强型IPC模型绘制步骤4中所述的表征参数与过孔应力关系图，验证增强型IPC模型结果与FEA结果的一致性；根据增强型IPC模型绘制的表征参数与应力关系图，分析相同表征参数变化带来的应力大小变化，即表征参数敏感程度分析；根据敏感程度分析结果，过孔纵横比对过孔寿命影响最大，所以设计几何尺寸时应选用预定的过孔纵横比，此外应选用较小的印制电路板板厚和镀层厚度比，而有效焊盘直径和过孔半径比是能忽略的。

6.根据权利要求1所述的印制电路板过孔几何尺寸对其寿命影响分析方法，其特征在于：步骤5中所述的“提出提高过孔寿命的几何尺寸设计原则”，提出的设计原则为：设计生产中，在允许的范围内，适当增加过孔半径和镀层厚度，减少印制电路板板厚，选择适当的过孔纵横比，能够减小过孔应力，从而提高过孔可靠性，延长过孔寿命。

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