CN109799050A - 一种bga封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法 - Google Patents

Abstract

公开一种BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法，包括下列步骤：选取被测件，设置载荷谱；分析振动载荷下电子芯片焊点失效模型；模型参数估计与分析。该方法通过随机振动试验，获取BGA封装电子芯片内不同位置焊球的寿命数据；对BGA封装电子芯片的失效行为与规律、裂纹的形成与演变机制进行分析，提出基于两参数威布尔分布的电子芯片失效统计模型，并利用极大似然估计对该模型进行参数估计；依据失效统计模型，获取电子芯片内不同位置焊点的寿命特征，利用寿命特征，完成对电子芯片振动失效过程中薄弱环节的分析。

Description

一种BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位 方法

技术领域

本发明涉及电子设备的可靠性技术及故障预测与健康管理(PHM)技术，具体涉及电子设备振动失效时的敏感部位和薄弱环节的分析方法。

背景技术

目前，大量的军事装备、工业控制器广泛加装了先进复杂的电子设备，这些电子设备又包含了众多精密的高集成度电子器件。随着各个领域的应用需求逐步拓宽，这些电子设备面临着临近空间、深海、远洋等严酷环境带来的巨大挑战。电子设备由此成为故障频发的薄弱环节。电子芯片作为实现电子设备完整功能的最重要的核心部件，其在严酷环境下的可靠性直接决定了整个电子设备的可靠性。电子芯片因焊点断裂导致的失效是电子芯片失效的主要原因，用于实现电子芯片与电路板之间电气互联与机械支撑的焊点由此成为了整个电子系统的关键。

研究表明，振动的持续加载导致焊点失效占电子设备失效的比例高达百分之二十。目前针对电子设备的失效问题，主要的维修保障模式还停留在事后维修阶段，这种失效发生后再进行维护的方式往往会造成不可估量的损失。因此，处理电子芯片产生故障和失效的问题应该从被动接受转变为主动预防，再到提早预测和系统管理。

随着微电子制造工艺的进步，电子器件朝着尺寸微型化、封装高密度化发展，其显著特点是焊点尺寸越来越小，焊球数目越来越多，这些特性提高了焊点的状态监测难度和成本。由于最容易失效的焊点决定了芯片整体的可靠性，因此，在现有技术中，实现电子芯片的健康状态监测并不需要对芯片内所有的焊点都进行监测，而是只需要对芯片内最容易失效的可靠性最薄弱的焊点进行监测。由此，定位电子芯片在振动载荷下产生失效的薄弱环节具有重大的意义。

目前，国内外对于电子芯片振动失效时薄弱环节的定位研究多停留在经验模型与仿真研究上，缺乏理论依据且结果也常常不尽人意。为了准确定位电子芯片在振动载荷下的薄弱环节，从而实现对整个电子芯片健康状态的监控，需要一个有理论支撑和试验验证的体系化的分析方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法，包括下列步骤：

步骤一：选取被测件，设置载荷谱

选取BGA封装被测件，将振动参数设置为被测件的一阶固有频率，根据国军标给出的被测件工作环境，在国军标中选取相应的加速度功率谱密度w₀；直接采集焊点两端的电压波动来表征焊点的开裂情况；对被测件正常供电，当焊点完好时，焊点等效电阻很小，焊点的分压接近于0V，当焊点开始断裂时，焊点等效电阻增大，焊点分压随之增大，随着焊点的分压逐渐增大，焊点断裂情况加剧，直到最终达到供电的电源电压，焊点完全断裂；

步骤二：分析振动载荷下电子芯片焊点失效模型

对于穿透型裂纹而言，疲劳裂纹的扩展速率受到裂纹尖端处应力因子的变化幅度的影响，符合疲劳裂纹扩展速率的指数幂定理，即Paris公式：

式中k为应力强度因子，Δk为应力强度因子的增量，α为裂纹长度，N为振动循环次数，c为常数；

随着振动时间的增加，焊球内裂纹的长度也在逐渐增大，令δ_i表示第i次振动循环后的裂纹长度，则一定有δ₁＜δ₂＜…＜δ_n，当裂纹长度达到δ_m时，0≤m≤2R，焊点失效，R为焊球半径，假设δ₀为初始裂纹，此时裂纹存在但极其微小可视为0，即基本相当于无裂纹；在第j个循环下，焊球内部裂纹的增量为δ_j-δ_j-1，其中δ_j、δ_j-1分别表示第j、第j-1个循环下裂纹长度；由于圆形横截面在拉压弯曲组合作用下产生圆弧形态的裂纹时，其应力强度因子为

式中，F₀＝G[0.752+1.286β+0.37Y³]；σ₀为正应力，a为裂纹的深度，G＝0.92(2/π)secβ[tanβ/β]^1/2，Y＝1-sinβ，β＝πa/4R，R为焊球半径，F₀，G，β，Y为中间变量；

将(2)式带入(1)式，可知应力强度因子正比于裂纹长度，即裂纹的增量正比于裂纹长度，所以有理由假定裂纹扩展按照比例效应增长，即其中χ_j为第j个循环下裂纹长度的增量δ_j-δ_j-1与第j-1个循环下裂纹长度δ_j-1之比；

则有

同时，当每次振动循环下裂纹的增量是微量的情况下有

Δδ_j＝δ_j-δ_j-1→0 (4)

式中Δδ_j表示第j个循环下裂纹长度的增量；

那么

当振动循环充分大时，依据微积分定义可知

式中δ表示焊球的裂纹长度；

移项得

由中心极限定理可知的渐进分布为正态分布，由于lnδ₀为一常量，因此lnδ_m也服从正态分布，即δ_m渐进服从对数正态分布；则焊点寿命的对数服从如下表达式：

式中σ、μ分别表示正态分布的标准差和均值；

步骤三：模型参数估计与分析

通过上述随机振动试验，获得电子芯片在振动失效过程中不同位置焊点的寿命数据，对它们进行极大似然估计，得到的电子芯片在振动失效过程中不同位置焊点的寿命分布参数估计值。

对于上述的BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法，μ越小表示该处焊点在较早的时间内产生失效的概率越大，即寿命越短；参数σ与焊点的失效机理有关，对于相同的失效机理，σ值趋于相同。

上述BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法，还具有步骤四：有限元仿真计算与验证，具体如下：

利用有限元仿真软件ANSYS17.0对步骤一至步骤三的分析结果进行仿真验证，建立电子芯片的三维有限元模型：即建立PCB板有限元模型；建立BGA封装电子芯片的有限元模型；查阅芯片手册得到试验用BGA焊球半径、厚度，及焊点的铜焊盘半径、厚度；

从ANSYS仿真软件的POST1后处理器中提取不同位置焊点在随机振动载荷下求解得到的1σ应力响应云图；焊点的1σ应力响应云图反映出不同位置焊点承受的应力情况不尽相同的情况，灰度值越大应力值越小，灰度值越小应力值越小。

通过随机振动试验，获取BGA封装电子芯片内不同位置焊球的寿命数据；对BGA封装电子芯片的失效行为与规律、裂纹的形成与演变机制进行分析，提出基于两参数威布尔分布的电子芯片失效统计模型，并利用极大似然估计对该模型进行参数估计；依据失效统计模型，获取电子芯片内不同位置焊点的寿命特征，利用寿命特征，完成对电子芯片振动失效过程中薄弱环节的分析。

附图说明

图1示出试验件连接方式；

图2示出试验试件的有限元模型；

图3示出不同位置微焊点1σ应力响应云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明设计的电信号分析方法作详细说明：

步骤一：试验件选取与载荷谱设置

随机振动试验中，试验件的PCB板尺寸均为180mm×90mm×0.7mm，试验件的芯片选用TOPLINE DC089型BGA封装试验芯片，在芯片内部，两两相邻的焊点被连接在一起，其连接方式如图1，尺寸信息见表1。

表1试验件芯片尺寸信息

将振动参数设置为试验件一阶固有频率，本发明的试验件一阶固有频率为300Hz，带宽设置为20Hz，即将振动载荷频率设置为290Hz至310Hz。根据国军标设置加速度功率谱密度为w₀＝0.8g²/Hz，将其作为本发明实验过程中需要满足的环境条件。直接采集焊点两端的电压波动来表征焊点的开裂情况。给定供电电压为3.3V，当焊点完好时，焊点等效电阻很小，焊点的分压接近于0V，当焊点开始断裂时，焊点等效电阻增大，焊点分压随之增大，随着焊点的分压逐渐增大，焊点断裂情况加剧，直到最终达到3.3V电源电压，焊点完全断裂。

步骤二：振动载荷下电子芯片焊点失效模型分析

对于穿透型裂纹的疲劳裂纹扩展行为，1957年Paris P.C提出，疲劳裂纹的扩展速率受到裂纹尖端处应力因子的变化幅度的影响，他在1963年随即提出了疲劳裂纹扩展速率的指数幂定理，即著名的Paris公式：

式中k为应力强度因子，Δk为应力强度因子的增量，α为裂纹长度，N为振动循环次数，c为常数。

随着振动时间的增加，焊球内裂纹的长度也在逐渐增大，令δ_i表示第i次振动循环后的裂纹长度，则一定有δ₁＜δ₂＜…＜δ_n，当裂纹长度达到δ_m(0≤m≤2R)时，焊点失效，R为焊球半径，假设δ₀为初始裂纹，此时裂纹存在但极其微小可视为0(即基本相当于无裂纹)。在第j个循环下，焊球内部裂纹的增量为δ_j-δ_j-1，其中δ_j、δ_j-1分别表示第j、第j-1个循环下裂纹长度。由于圆形横截面在拉压弯曲组合作用下产生圆弧形态的裂纹时，其应力强度因子为

式中，F₀＝G[0.752+1.286β+0.37Y³]，σ₀为正应力，a为裂纹的深度，G＝0.92(2/π)secβ[tanβ/β]^1/2，Y＝1-sinβ，β＝πa/4R，R为焊球半径，F₀，G，β，Y为中间变量。

将(2)式带入(1)式，可知应力强度因子正比于裂纹长度，即裂纹的增量正比于裂纹长度，所以有理由假定裂纹扩展按照比例效应增长，即其中χ_j为第j个循环下裂纹长度的增量δ_j-δ_j-1与第j-1个循环下裂纹长度δ_j-1之比。

则有

同时，当每次振动循环下裂纹的增量是微量的情况下有

Δδ_j＝δ_j-δ_j-1→0 (4)

式中Δδ_j表示第j个循环下裂纹长度的增量；

那么

当振动循环充分大时，依据微积分定义可知

式中δ表示裂纹长度。

移项得

由中心极限定理(茆诗松，等.高等数理统计.第2版[M].高等教育出版社，2006.)可知的渐进分布为正态分布，由于lnδ₀为一常量，因此lnδ_m也服从正态分布，即δ_m渐进服从对数正态分布。则焊点寿命的对数服从如下表达式：

式中σ、μ分别表示该正态分布的标准差和均值。

步骤三：模型参数估计与分析

随机振动试验获得的电子芯片在振动失效过程中不同位置焊点的寿命数据的对数值如表2所示。对它们进行极大似然估计(茆诗松，等.高等数理统计.第2版[M].高等教育出版社，2006.)得到的电子芯片在振动失效过程中不同位置焊点的寿命分布参数估计值。

表3示出在本发明的一个实施例中所获得的实验数据。

表2不同位置焊点的实测寿命数据对数值

表3不同位置焊点寿命分布参数估计

由于芯片内不同位置焊点承受应力集中的程度有差异，不同位置焊点的特征寿命随之也会受到影响，从表2中可以看出均值μ反映出了这一差异，μ越小表示该处焊点在较早的时间内产生失效的概率越大，即寿命越短。分析μ值的变化可以得到如下规律：芯片外圈的焊点总是优先于内圈焊点产生失效。这表明，外圈焊点受到的应力集中更为明显。同时，对位于同一圈层内的焊点而言，它们承受的应力也不尽相同，位于PCB板宽一侧的焊点相较PCB板长一侧的焊点特征寿命更短，更容易产生失效，说明PCB板宽一侧受到的应力更为集中。总结来说，位于电子芯片外圈宽一侧的焊点是电子芯片可靠性的薄弱地带。

通过表2还可以看出，不同位置焊点的特征寿命不同，但它们的标准差σ却较为接近，这表明参数σ与焊点的失效机理有关，虽然芯片内不同位置的焊点承受的应力集中有所区别，但它们处于相同振动环境中，具有相同失效机理，随之σ值趋于相同。

步骤四：有限元仿真计算与验证

利用有限元仿真软件ANSYS17.0对上述分析结果进行仿真验证，建立电子芯片的三维有限元模型：建立PCB板有限元模型，其尺寸为180mm×90mm×2mm。建立BGA封装电子芯片的有限元模型，其尺寸为20mm×20mm×0.7mm。查阅芯片手册得到试验用BGA焊球半径为0.5mm，厚度为0.8mm，焊点的铜焊盘半径为0.3mm，厚度为0.025mm，如图2所示。

从ANSYS仿真软件的POST1后处理器中提取不同位置焊点在随机振动载荷下求解得到的1σ应力响应云图如图3所示，1σ应力响应云图显示了芯片内不同位置的应力大小。

焊点的1σ应力响应云图反映出，不同位置焊点承受的应力情况不尽相同，图中灰度值越大应力值越小，灰度值越小应力值越小。其中外圈的焊点承受的应力明显高于内圈焊点，芯片左右两侧受到的应力明显高于上下两侧。这是由于，振动载荷的频率为一阶固有频率处，模型表现为Z轴正向上沿×轴的弯曲变形，导致左右两侧受到的拉压应力要显著大于上下两侧，这一仿真计算结果与本分析方法得到的结果高度吻合，验证了本方法结果的准确性。

本方法可以准确定位振动载荷下电子芯片失效的薄弱环节，这些容易产生失效的部位决定了整个电子芯片的寿命。因此，对这些容易产生失效的互联结构进行监测可以减轻测试成本并有助于推动电子设备维护保障模式从被动接受转变为主动预防，再到提早预测和系统管理。

Claims (3)

1.一种BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法，包括下列步骤：

步骤一：选取被测件，设置载荷谱

选取BGA封装被测件，将振动参数设置为被测件的一阶固有频率，根据国军标给出的被测件工作环境，在国军标中选取相应的加速度功率谱密度w₀；直接采集焊点两端的电压波动来表征焊点的开裂情况；对被测件正常供电，当焊点完好时，焊点等效电阻很小，焊点的分压接近于0V，当焊点开始断裂时，焊点等效电阻增大，焊点分压随之增大，随着焊点的分压逐渐增大，焊点断裂情况加剧，直到最终达到供电的电源电压，焊点完全断裂；

步骤二：分析振动载荷下电子芯片焊点失效模型

对于穿透型裂纹而言，疲劳裂纹的扩展速率受到裂纹尖端处应力因子的变化幅度的影响，符合疲劳裂纹扩展速率的指数幂定理，即Paris公式：

式中k为应力强度因子，Δk为应力强度因子的增量，α为裂纹长度，N为振动循环次数，c为常数；

随着振动时间的增加，焊球内裂纹的长度也在逐渐增大，令δ_i表示第i次振动循环后的裂纹长度，则一定有δ₁＜δ₂＜…＜δ_n，当裂纹长度达到δ_m时，0≤m≤2R，焊点失效，R为焊球半径，假设δ₀为初始裂纹，此时裂纹存在但极其微小可视为0，即基本相当于无裂纹；在第j个循环下，焊球内部裂纹的增量为δ_j-δ_j-1，其中δ_j、δ_j-1分别表示第j、第j-1个循环下裂纹长度；由于圆形横截面在拉压弯曲组合作用下产生圆弧形态的裂纹时，其应力强度因子为

式中，F₀＝G[0.752+1.286β+0.37Y³]；σ₀为正应力，a为裂纹的深度，G＝0.92(2/π)secβ[tanβ/β]^1/2，Y＝1-sinβ，β＝πa/4R，R为焊球半径，F₀，G，β，Y为中间变量；

将(2)式带入(1)式，可知应力强度因子正比于裂纹长度，即裂纹的增量正比于裂纹长度，所以有理由假定裂纹扩展按照比例效应增长，即其中χ_j为第j个循环下裂纹长度的增量δ_j-δ_j-1与第j-1个循环下裂纹长度δ_j-1之比；

则有

同时，当每次振动循环下裂纹的增量是微量的情况下有

Δδ_j＝δ_j-δ_j-1→0 (4)

式中Δδ_j表示第j个循环下裂纹长度的增量；

那么

当振动循环充分大时，依据微积分定义可知

式中δ表示焊球的裂纹长度；

移项得

由中心极限定理可知的渐进分布为正态分布，由于lnδ₀为一常量，因此lnδ_m也服从正态分布，即δ_m渐进服从对数正态分布；则焊点寿命的对数服从如下表达式：

式中σ、μ分别表示正态分布的标准差和均值；

步骤三：模型参数估计与分析

通过上述随机振动试验，获得电子芯片在振动失效过程中不同位置焊点的寿命数据，对它们进行极大似然估计，得到的电子芯片在振动失效过程中不同位置焊点的寿命分布参数估计值。

2.如权利要求1所述的BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法，μ越小表示该处焊点在较早的时间内产生失效的概率越大，即寿命越短；参数σ与焊点的失效机理有关，对于相同的失效机理，σ值趋于相同。

3.如权利要求1所述的BGA封装电子芯片焊点振动失效过程中薄弱环节的定位方法，还具有步骤四：有限元仿真计算与验证，具体如下：

利用有限元仿真软件ANSYS17.0对步骤一至步骤三的分析结果进行仿真验证，建立电子芯片的三维有限元模型：即建立PCB板有限元模型；建立BGA封装电子芯片的有限元模型；查阅芯片手册得到试验用BGA焊球半径、厚度，及焊点的铜焊盘半径、厚度；

从ANSYS仿真软件的POST1后处理器中提取不同位置焊点在随机振动载荷下求解得到的1σ应力响应云图；焊点的1σ应力响应云图反映出不同位置焊点承受的应力情况不尽相同的情况，灰度值越大应力值越小，灰度值越小应力值越小。