CN109387533A - 焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法 - Google Patents

焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，该方法包括以下步骤：步骤一、确定焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验的载荷条件；步骤二、设计并制作实验样本；步骤三、确定该实验的截止条件；步骤四、确定实验的仪器型号、进行实验和记录实验结果；步骤五、确定得到完整的非线性损伤累积法则公式。根据本发明确定焊点在不规则温循剖面下的非线性损伤累积法则中的未知参数，从而得到非线性损伤累积法则的优化表达式。应用该法则替代Miner线性累积法则进行损伤累积计算，使得可靠性预计更加准确，结果更接近产品的真实可靠性水平。

Description

焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法
技术领域
本发明涉及可靠性实验研究领域，尤其涉及一种焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法。
背景技术
随着电子元器件朝着高速化、小型化的方向发展，芯片单位面积的发热量越来越大，引脚越来越多，相互之间距离越来越小，也就要求降低焊点的尺寸。电子器件在实际使用过程中电路的一开一关，或者电子产品从温度高的环境转移到温度低的环境会让电子器件的温度发生变化。而且封装好的器件不同材料层具有不同的热膨胀系数，当器件的温度变化时，不同层间的形变量会不一致，这会导致层与层间产生应力，整个元件发生微小的翘曲变形。当塑性应变累积达到一定程度时，就会在焊点应力集中区首先发生疲劳损伤并最终导致焊点热疲劳，从而造成电路功能的失效。有数据统计表明，电子器件的失效70％是由于焊点的失效所引起的。因此焊点在实际服役过程中的可靠性问题一直是制约电子产品寿命的关键因素，对焊点的可靠性问题研究很有必要。
目前的研究大都是以焊点在标准规则的温度循环剖面下为前提的热疲劳问题，然而电子产品的实际工作是在一个很复杂系统下，通常需要完成由多个不同阶段组成的任务，所经受的应力和环境条件不同，多阶段就形成了温循剖面的复杂不规则。目前，工程上对不规则温循剖面下焊点热疲劳损伤的研究只是简单地将不规则温循剖面拆分成若干个标准温循剖面，利用Miner线性法则进行累积计算。而事实证明，应用Miner线性法则对不规则温循剖面下的焊点热疲劳损伤进行线性累积，结果会有较大偏差。针对多阶段任务系统中的不规则温循剖面，考虑一种新的非线性损伤累积法则，该法则含有未确定的参数，需要通过实验确定。考虑多阶段任务下反映电子元器件的焊点所经历的真实环境条件和载荷状况的不规则温循剖面，本发明通过进行典型封装焊点热疲劳损伤累积实验研究，提出一种新的损伤累积原则，为工程上解决不规则温循剖面下寿命预计提供一种新的方法。
发明内容
本发明的目的在于为确定焊点在不规则温循剖面下的非线性的损伤累积法则中的未知参数，提供一种焊点热疲劳损伤累积法则实验方法，通过对实验结果的处理拟合得出待定参数，从而得到非线性损伤累积法则的优化表达式。应用该法则替代Miner线性累积法则进行损伤累积计算，使得可靠性预计更加准确，结果更接近产品的真实可靠性水平。
一种焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，该方法包括以下步骤：步骤一、确定焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验的载荷条件；步骤二、设计并制作实验样本；步骤三、确定该实验的截止条件；步骤四、确定实验的仪器型号、进行实验和记录实验结果；步骤五、确定得到完整的非线性损伤累积法则；
所述步骤一包括：a.确定所述焊点所属电子元器件所在系统各个阶段的任务及时间；b.确定所述焊点所属电子元器件所在系统各个阶段的温度大小；c.确定所述焊点所属电子元器件所在系统各个阶段的温度变化率；所述温度变化率等于相邻两个稳定温度的差值除以相应温度变化的时间；d.确定所述焊点所属电子元器件所在系统的不规则温循剖面；e.确定根据所述不规则温循剖面划分的标准温循剖面二和标准温循剖面三，以上述三个温循剖面作为实验设计的载荷的条件；
所述步骤二包括：a.确定所述实验样本的封装形式、材料、尺寸和样本个数满足实验要求；b.确定所述实验样本的焊点在芯片中的菊花链联接方式；c.确定所述实验样本芯片电气联接设计图；d.加工制作完成实验所需的所述芯片样本；
所述步骤三包括：a.用所述菊花链电阻作为实验的测量变量；b.当实验进行至菊花链电阻增加超过一定数值，则认为焊点发生失效，以此作为实验的截止条件；
所述步骤四包括：a.确定实验所用仪器型号；b.确定实验前样本焊点的所述测量变量初始值；c.进行实验，每隔一定时间对所述芯片样本进行测量，并记录各个时间点下所述测量变量的大小，直至截止条件；
所述步骤五包括：a.确定焊点在不规则温循剖面下非线性损伤累积法则的公式；
其中N为不规则温循剖面下所述芯片样本达到失效时的循环数估计值；N1为所述标准温循剖面二下芯片样本达到失效时的循环数；N2为所述标准温循剖面三下芯片样本达到失效时的循环数；a、b是通过实验数据拟合的参数。a、b与N1、N2的关系如下：
其中n1和n2是所述芯片样本在所述标准温循剖面二和所述标准温循剖面三下达到相同损伤量时的循环数；
b.根据实验所得到的数据，用Matlab将所述实验数据按照公式(2)进行参数拟合得到拟合曲线，求解得到a和b的值，以及拟合优度；c.确定所述非线性损伤累积法则的优化表达式。
优选的，所述步骤二中b.确定所述实验样本的焊点在芯片中的菊花链联接方式，其特征在于：所述焊点按照菊花链的方式串联联接，其中包含3条菊花链T1，T2，T3，T1为最外圈焊点串联联接而成的一圈菊花链，T2为中间焊点串联联接而成的一圈菊花链，T3为内圈焊点串联联接而成的一圈菊花链；各条菊花链的电阻值等于其包含的焊点电阻值之和。
优选的，所述步骤三中b.当实验进行至菊花链电阻增加超过一定数值，则认为焊点发生失效，以此作为实验的截止条件，其特征在于：当实验进行至菊花链电阻增加超过20％，则认为焊点发生失效，以此作为实验的截止条件.
优选的，所述步骤四中c.进行实验，每隔一定时间对所述芯片样本进行测量，并记录各个时间点下所测变量的大小，直至截止条件，其特征在于：按照所述不规则温循剖面和两个所述标准温循剖面对芯片样本施加实验应力，并监测和记录各菊花链电阻值；实验时，每隔一定时间记录各个剖面下的菊花链电阻值，依据实验芯片样本的数量，记录得到多组数据,所述多组数据为各芯片样本在三种温循剖面下的菊花链电阻值及其对应循环数；根据所述多组数据绘制曲线图，确定曲线特征点的循环数，以及菊花链T1、T2和T3电阻分别增大超过20％的循环数。
优选的，所述步骤五中c.确定非线性损伤累积法则的优化表达式，其特征在于：将所述参数a、b的值带入公式(1)中，得到对应封装形式下在所述三个温循剖面下非线性累积关系如公式(3)所示：
其中N为不规则温循剖面下芯片样本达到失效时的循环数估计值；N1为标准温循剖面二下芯片样本达到失效时的循环数；N2为标准温循剖面三下芯片样本达到失效时的循环数；利用公式(3)计算得出所述不规则温循剖面下芯片样本达到失效时的循环数估计值
本发明提供的实验方法，具有以下优点：
a.针对多阶段任务系统的特点，制定不规则的温循剖面，反映出了焊点所经历的真实的温度变化情况，所得到的实验结果更符合实际。
b.针对不规则温循剖面下的焊点热疲劳，提出了非线性损伤累积法则，替代了Miner线性法则进行损伤累积，使计算结果更为准确。
附图说明
图1为实施例中的总的不规则温循剖面；
图2为实施例中的标准温循剖面二；
图3为实施例中的标准温循剖面三；
图4为实施例中的芯片菊花链的联接方式；
图5为实施例中的T1芯片菊花链的联接方式；
图6为实施例中的T2芯片菊花链的联接方式；
图7为实施例中的T3芯片菊花链的联接方式；
图8为实施例中的焊点的菊花链的电气设计图；
图9为实施例中焊点在不规则温循剖面下菊花链电阻值随循环数的变化曲线；
图10为实施例中焊点在标准温循剖面二下菊花链电阻值随循环数的变化曲线；
图11为实施例中的焊点在标准温循剖面三下菊花链电阻值随循环数的变化曲线；
图12为实施例中的Matlab软件拟合的曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
以在夏季执行任务的某飞机惯导系统为例，来说明其电子设备中BGA封装器件焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法。该方法具体步骤如下：
步骤一：确定惯导系统所在飞机在夏季所经历多阶段任务下的不规则温循剖面。
a.飞机一天执行两次飞行任务，即出站和回程。根据飞行任务的工况表，每次飞行任务如表1所示，包括以下过程：地面不工作、地面慢车、地面待起飞、起飞、上升、巡航、下降、着陆、减速滑跑、地面不工作等十个阶段，并且确定各阶段的持续时间。
表1 惯导系统的多阶段任务
b.夏季机场地面的平均温度为55℃，飞机在不工作阶段时，机载电子设备由于安装在内部，温度较外界环境高出15℃，即70℃；在地面慢车阶段的6分钟内计算机热耗散在装备产生一个30℃温升；在地面待起飞和起飞阶段，夏季机载电子设备平均温度为100℃，温度保持不变；在爬升阶段，外界环境温度随着高度的增加而降低，直至在一万米巡航阶段趋于稳定；在巡航阶段，飞机处于一万米高空，发动机造成的温升为45℃，飞机外部环境温度为-25℃，则惯导系统所在位置的设备温度为20℃；飞机下降、着陆、减速滑跑阶段，惯导系统的温度与地面待起飞、起飞、爬升阶段的温度变化成对称关系，由20℃上升到100℃并保持不变。飞机在着陆后的不工作阶段时，在刚开始6分钟内，由于计算机全部关闭，在装备产生一个30℃温降，此后，惯导系统的温度回到最初的70℃。
c.飞机在地面慢车阶段和着陆后不工作阶段温度变化率为5℃/min；在起飞、爬升阶段和下降、着落阶段温度变化率为3.5℃/min.
d.利用以上各个阶段的温度、温度变化率，结合飞机的任务剖面，生成该飞行任务下的惯导系统不规则温循剖面，如图1示，不规则温循剖面也可以称之为组合温循剖面，组合温循剖面可以分解为标准温循剖面二和标准温循剖面三。
e.根据不规则温循剖面，划分成标准温循剖面二和标准温循剖面三如图2图3所示。以上三个剖面作为实验的载荷条件。
步骤二：设计并制作实验样本。
a.实验样本采用球栅阵列(BGA)封装芯片载体，印刷电路板(PCB)耐燃材料等级FR4，焊点材料选择Sn62Pb36Ag2，焊点直径选择0.5mm。一共三种温循剖面，每种温循剖面下对应有2块相同的板(B1，B2)，每个板上有6块相同的芯片(U1-U6)，即为芯片样本。
b.确定芯片焊点联接方式。单个焊点的电阻值很小，难以测量，焊点按照菊花链的方式串联联接，电阻值累加至电阻仪可测范围，对整条焊点菊花链的电阻进行监测。菊花链的联接方式如图4所示，其中包含3条菊花链T1，T2，T3。T1为最外圈焊点串联联接而成的一圈菊花链，如图5所示。T2为中间焊点串联联接而成的一圈菊花链，如图6所示。T3为内圈焊点串联联接而成的一圈菊花链，如图7所示。各条菊花链的电阻值等于其包含的焊点电阻值之和。
c.用PROTEL DXP软件按照上述的联接方式进行芯片的电气设计，为了失效分析的方便，尽可能引出测试焊盘。设计图如图8所示，图8中的附图标记1为一个芯片的菊花链。
d.根据菊花链的电气联接图，制作样本芯片。
步骤三：确定该实验的截止条件。
a.确定该实验所测量的变量。宏观裂纹的出现会导致焊点横截面积的减小，从而使得焊点的电阻值增大，即焊点损伤量与菊花链环路电阻增量的变化趋势相同。因此，用菊花链环路电阻作为实验的变量。
b.根据标准IPC-9701，当实验进行至菊花链电阻增加超过20％，则认为焊点发生失效，以此作为实验截止条件。
步骤四：开始进行实验、记录实验结果。
a.确定实验所用仪器型号。此次实验所用的温箱为银河仪器KWGDS6025高低温湿热试验箱，电阻测量仪选用的是Agilent B2912A开尔文四线电阻计。
b.在实验样本放入温箱进行实验前，利用四线电阻计对芯片样本进行电阻测量，并记录电阻初始值。
c.实验装置搭建完毕后，按照图1-3所示温循剖面施加实验应力，并监测和记录菊花链电阻值；实验时，每隔2天记录各个剖面下的菊花链电阻值。根据IPC-9701，当实验进行至菊花链电阻增加超过20％时，则认为焊点发生失效，结束实验。一共有12块芯片，最终记录得到12组数据，每组数据对应一个芯片，包括芯片的3条菊花链在3个温循剖面下的电阻值及对应的循环数。以B1板中U1芯片为例，其数据如表2-4所示。
表2 不规则温循剖面下焊点菊花链电阻值变化情况
表3 标准温循剖面二下焊点菊花链电阻值变化情况
表4 标准温循剖面三下焊点菊花链电阻值变化情况
根据表2，做出不规则温循剖面下三条菊花链T1、T2、T3的电阻值随循环数的变化曲线，如图9所示。根据不规则温循剖面下的曲线图可以看出，在不规则温循剖面下，芯片样本在开始的150个循环，电阻变化速率小；此后，焊点电阻变化速度增大，T1直至280个循环后，T2直至320个循环后，T3直至368个循环后电阻增大超过20％，此时，认为焊点发生了热疲劳失效。
根据表3，做出标准温循剖面二下三条菊花链T1、T2、T3的电阻值随循环数的变化曲线，如图10所示。根据标准温循剖面二下的曲线图可以看出，在标准温循剖面二下，芯片样本在开始的200个循环，电阻变化速率小。此后，焊点电阻变化速度增大，T1直至348个循环后，T2直至384个循环后，T3直至480个循环后电阻增大超过20％，此时，认为焊点发生了热疲劳失效。
根据表4，做出标准温循剖面三下三条菊花链T1、T2、T3的电阻值随循环数的变化曲线，如图11所示。根据标准温循剖面三下的曲线图可以看出，在标准温循剖面三下，芯片样本在开始的420个循环，电阻变化速率小；此后，焊点电阻变化速度增大，T1直至1032个循环后，T2直至1152个循环后，T3直至1248个循环后电阻增大超过20％，此时，认为焊点发生了热疲劳失效。
综合12块芯片的12组数据可以得出，T1菊花链在任意剖面下都是第一个发生失效的，其失效循环数就代表了整个芯片的焊点热疲劳寿命。
步骤五：确定得到完整的非线性损伤累积法则
a.确定焊点在不规则温循剖面下非线性损伤累积法则的公式。焊点在不规则温循剖面下非线性损伤累积法则公式，如公式(1)所示：
其中N为不规则温循剖面下芯片样本达到失效时的循环数估计值；N1为标准温循剖面二下芯片样本达到失效时的循环数；N2为标准温循剖面三下芯片样本达到失效时的循环数；a、b是需要通过实验数据拟合的参数。a、b与N1、N2的关系如下：
其中n1和n2是芯片样本标准温循剖面二和标准温循剖面三下达到相同损伤量时的循环数，即菊花链T1在标准温循剖面二和标准温循剖面三下阻值相等时的循环数。
b.根据实验数据拟合得到参数值。提取三个温循剖面下菊花链T1阻值相等时的循环数，取12组数据的均值作为最终数据，分别由n、n1、n2表示，如表5所示。
表5 T1阻值相等时各剖面循环数
用Matlab将以上数据按照公式(2)进行参数拟合得到拟合曲线，拟合曲线如图12所示，求解得到a和b的值，以及拟合优度如表6所示。
表6 a和b的值以及拟合优度
a 2.759
b -0.867
SSE 0.0028085
R-square: 0.9581
Adjusted R-square 0.9557
RMSE 0.05586
SSE表示误差平方和；R-square表示决定系数，也称为判定系数；Adjusted R-square表示自由度调整决定系数；RMSE表示均方根误差。这些参量均代表了拟合优度，其值越小说明拟合效果越好。
c.确定非线性损伤累积法则的优化表达式。公式中参数a、b的值求出后，代入公式(1)，则对于这种封装形式下在以上温循剖面下有非线性累积关系如公式(3)所示：
利用公式(3)计算该实验中不规则温循剖面下芯片样本的循环数为296循环，Miner线性法则求得的结果为246循环，而实验最终数据为282循环，可见针对不规则温循剖面，本发明得出的非线性损伤积累法则比Miner线性法则更接近实际。
该实验方法真实的反映了元器件焊点所在系统执行任务时外界环境应力的变化，基于此拟合得到的非线性损伤累积公式中的参数更为科学、合理，可靠性预计结果更接近产品的真实可靠性水平。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤一、确定焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验的载荷条件；步骤二、设计并制作实验样本；步骤三、确定该实验的截止条件；步骤四、进行实验和记录实验结果；步骤五、得到非线性损伤累积法则；
所述步骤一包括：a.确定所述焊点所属电子元器件所在系统各个阶段的任务及时间；b.确定所述焊点所属电子元器件所在系统各个阶段的温度大小；c.确定所述焊点所属电子元器件所在系统各个阶段的温度变化率，所述温度变化率等于相邻两个稳定温度的差值除以相应温度变化的时间；d.确定所述焊点所属电子元器件所在系统的不规则温循剖面；e.确定所述不规则温循剖面、标准温循剖面二和标准温循剖面三，以所述不规则温循剖面、标准温循剖面二和标准温循剖面三作为实验的载荷条件；
所述步骤二包括：a.确定所述实验样本的封装形式、材料、尺寸和样本个数；b.确定所述实验样本的焊点在芯片中的菊花链联接方式；c.确定所述实验样本芯片电气联接设计图；d.制作实验所需的所述芯片样本；
所述步骤三包括：a.用所述菊花链电阻作为实验的测量变量；b.当实验进行至菊花链电阻增加超过一定数值时，则认为焊点发生失效，以此作为实验的截止条件；
所述步骤四包括：a.确定实验所用仪器型号；b.确定实验前样本焊点的所述测量变量的初始值；c.进行实验，每隔一定时间对所述芯片样本进行测量，并记录各个时间点下所述测量变量的大小，直至截止条件；
所述步骤五包括：a.确定焊点在不规则温循剖面下非线性损伤累积法则的表达式：
其中N为不规则温循剖面下所述芯片样本达到失效时的循环数估计值；N1为所述标准温循剖面二下芯片样本达到失效时的循环数；N2为所述标准温循剖面三下芯片样本达到失效时的循环数；a、b是通过实验数据拟合的参数；
b.将实验所得到的数据进行参数拟合得到拟合曲线，求解得到a和b的值，以及拟合优度；
c.确定所述非线性损伤累积法则的优化表达式。
2.根据权利要求1所述的焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，其特征在于：所述步骤二中焊点在芯片中的菊花链联接方式包括菊花链T1，菊花链T2和菊花链T3，所述菊花链T1为最外圈焊点串联联接而成的一圈菊花链，所述菊花链T2为中间焊点串联联接而成的一圈菊花链，所述菊花链T3为内圈焊点串联联接而成的一圈菊花链。
3.根据权利要求2所述的焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，其特征在于：所述菊花链T1，菊花链T2或者菊花链T3的电阻值分别等于其包含的焊点电阻值之和。
4.根据权利要求2所述的焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，其特征在于：所述步骤三中，当实验进行至菊花链电阻增加超过20％，则认为焊点发生失效，以此作为实验的截止条件。
5.根据权利要求4所述的焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，其特征在于：所述步骤四中每隔一定时间对所述芯片样本进行测量包括每隔一定时间记录各个剖面下的菊花链电阻值，依据实验芯片样本的数量，记录得到多组数据，所述多组数据为所述实验芯片样在所述不规则温循剖面、标准温循剖面二和标准温循剖面三的菊花链电阻值及其对应循环数；根据所述多组数据绘制曲线图，确定曲线特征点的循环数，以及所述菊花链T1、菊花链T2和菊花链T3电阻分别增大超过20％的循环数。
6.根据权利要求1所述的焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，其特征在于：焊点在不规则温循剖面下非线性损伤累积法则的表达式中a、b与N1、N2的关系如下：
其中n1和n2是所述芯片样本在所述标准温循剖面二和所述标准温循剖面三下达到相同损伤量时的循环数。
7.根据权利要求1所述的焊点在不规则温循剖面下损伤累积法则实验方法，其特征在于：通过所述参数a、b的值获得对应封装形式下考虑所述不规则温循剖面、标准温循剖面二和标准温循剖面三下，芯片样本达到失效时的循环数估计值表达式：
其中N为不规则温循剖面下芯片样本达到失效时的循环数估计值；N1为标准温循剖面二下芯片样本达到失效时的循环数；N2为标准温循剖面三下芯片样本达到失效时的循环数。
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