CN115329716A - 板级互连bga焊点热疲劳寿命预测方法、测试件及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法、测试件及系统，属于电子封装板级互连领域，包括步骤：S1，制作BGA封装板级互连测试件；S2，对所述BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，得到基于实测的Darveaux理论方程的系数；S3，通过建立有限元模型求得封装互连区域内任意位置BGA焊点的理论单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量，并将带入利用步骤S2得到的基于实测的系数构建的Darveaux理论方程进行热疲劳寿命预估，实现对该焊点的热疲劳寿命预测。本发明可以快速、精确的预测互连焊点的热疲劳寿命，支撑焊点可靠性故障量化分析研究，为BGA封装板级互连产品的可靠性设计提供关键数据支撑。

Description

板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法、测试件及系统

技术领域

本发明涉及电子封装板级互连技术领域，更为具体的，涉及一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法、测试件及系统。

背景技术

采用塑封或陶瓷封装的高密度集成BGA(陶瓷球珊网格阵列)封装单元，其射频和数字信号I/O接口通过封装基板回流焊集成在系统母板上，实现高密度信号传输。正常产品均会经历温度循环环境适应性考核或者正常工作时功率循环，在经历多次温度或功率循环后，互连焊点由于塑性应变、蠕变等效应累积，互连电阻会发生明显变化甚至互连断路，直接影响接地效果或者射频屏蔽效果。因此在产品设计时，需要充分考虑器件的选型及封装的结构设计，预测并提升焊点热疲劳寿命，避免上述失效的发生。

通常采用基于能量的Darveaux理论方程进行热疲劳寿命预估，方程如下：

Darveaux理论方程中前一项与裂纹初始产生周期相关，后一项与裂纹扩展相关。式中涉及到与封装拓扑类型和材料体系强相关的系数K1～K4，在未明确封装拓扑类型和材料体系时，K1～K4为未知量，必须针对特定的封装结构进行标定才能获得准确的疲劳寿命预测结果。

中国专利CN201510226672.9中参考Paris公式对Darveaux方程进行改进，从理论计算的角度给出了与裂纹扩展项相关的修正方法，但并未明确如何标定封装系数K1～K4。中国专利CN201710365258.5从理论计算、模型训练和计算资源配备的角度提出了一种BGA焊点热疲劳寿命预测方法及系统，所涉及的方法由Coffin-Manson方程演化而来，并未涉及与Darveaux理论方程相关的计算或系数标定。

中国专利CN202110294578.2公布了一种封装单元BGA板级互连交变温度载荷下数值仿真方法，主要采用有限元方法计算BGA焊点的应力、应变、应变能密度，采用基于能量的Darveaux经验方程计算其特征循环寿命。该专利准确计算了危险焊点的应力、应变、单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave，但所采用的Darveaux理论方程系数来源于文献，并未进行实测标定，焊点寿命预测的准确度有待提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法、测试件及系统，可以快速、精确的预测互连焊点的热疲劳寿命，支撑焊点可靠性故障量化分析研究，为BGA封装板级互连产品的可靠性设计提供关键数据支撑等。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

S1，制作BGA封装板级互连测试件：包括制作封装基板和系统母板，系统母板包括单面或双面贴装板，分布式布置多个拓扑类型、材料体系相同或不同的BGA封装焊接区域，封装基板和系统母板对应区域具有互耦的图形化焊盘，对焊后形成电阻链条；不同区域的电阻链条通过印制板内部多层布线引出，引出区域预留多芯连接器安装位置；

S2，对所述BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，得到基于实测的Darveaux理论方程的系数；

S3，通过建立有限元模型求得封装互连区域内任意位置BGA焊点的理论单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW′_ave，并将ΔW′_ave带入利用步骤S2得到的基于实测的系数构建的Darveaux理论方程进行热疲劳寿命预估，实现对该焊点的热疲劳寿命预测。

进一步地，在步骤S1中，所述拓扑类型是指封装基板的物理结构形式及BGA焊点结构形式；所述的材料体系包括封装基板的材料、基板上图形化焊盘的材料以及BGA焊点材料，且拓扑类型和材料体系对某特定的BGA封装来说是确定的。

进一步地，在步骤S1中，在每个所述封装基板上表面通过图形化工艺制作周期性间断的骨头型焊盘结构，共4圈焊盘图形，焊盘图形表面满足可焊性要求。

进一步地，在步骤S1中，所述封装基板上的焊盘图形呈环形分布，每一圈图形以封装基板中心为圆心，以R1、R2、R3、R4为半径，利用BGA焊点的应变能与其距封装基板中心的距离强相关的原理，以此来保证封装基板与系统母板BGA互连后同一圈上的任一BGA焊点理论单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave相同。

进一步地，在步骤S1中，所述系统母板在与封装基板对焊区域制作周期性间断的骨头型焊盘结构，每个区域共4圈焊盘图形，在信号引出端的骨头型焊盘中心制作金属化孔，用于连接系统母板内层布线；系统母板上的图形化焊盘与封装基板上的焊盘图形互耦，焊盘图形表面满足可焊性要求。

进一步地，在步骤S1中，所述具有互耦的图形化焊盘，是指封装基板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部和系统母板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部通过BGA焊点互连后，形成闭合无间断的电阻链条。

进一步地，在步骤S2中，对步骤S1制作的BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，所述多芯连接器的接口连线为耐高低温导线，将该耐高低温导线与低阻测试设备连接，测试通道数与待测电阻链条数一致，每个测试通道采用四线法测电阻；

对系统母板上的特定拓扑类型和材料体系下的某封装基板的电阻链条进行在线监测直至互连失效，记录4组电阻链条的耐温度循环次数依次为：N_w1、N_w2、N_w3、N_w4，并等效为每个电阻链条实测的热疲劳寿命。

进一步地，在步骤S3中，包括子步骤：对步骤S1制作的BGA封装板级互连测试件，建立有限元仿真模型，每一圈电阻链条中选择任一焊点，依次计算出4组电阻链条中BGA焊点的单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave1、ΔW_ave2、ΔW_ave3、ΔW_ave4，再在Darveaux理论方程的基础上构建如下4组公式：

式中a为BGA焊点与基板接触区域的等效直径，为已知量，求解得到K₁’、K₂’、K₃’、K₄’四个常量，即为该特定拓扑类型和材料体系下的用于热疲劳寿命计算的Darveaux理论方程的基于实测的系数。

一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测用测试件，包括制作封装基板和系统母板，系统母板包括单面或双面贴装板，分布式布置多个拓扑类型、材料体系相同或不同的BGA封装焊接区域，封装基板和系统母板对应区域具有互耦的图形化焊盘，对焊后形成电阻链条；不同区域的电阻链条通过印制板内部多层布线引出，引出区域预留多芯连接器安装位置。

一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测系统，包括如上所述的测试件，以及包括温度环境试验箱和外接测试数据处理及显示系统，在温度环境试验箱中设置有低阻测试设备，测试件中的电阻链条通过多芯连接器的接口连线与低阻测试设备连接，低阻测试设备与外接测试数据处理及显示系统连接。

本发明的有益效果包括：

本发明方法设计了测试件，实现了同一系统母板上不同BGA封装在双面贴装后的焊点互连电阻链条在线监测，通过实测与仿真相结合的方法，进一步实现了Darveaux理论方程的系数标定，采用标定后的方程可以快速、精确的预测互连焊点的热疲劳寿命，支撑焊点可靠性故障量化分析研究，为BGA封装板级互连产品的可靠性设计提供关键数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为封装基板透视示意图，阴影部分为图形化焊盘。

图2为与封装基板对焊区域系统母板的俯视示意图，阴影部分为图形化焊盘。

图3为封装基板与系统母板对焊后，相互耦合的图形化焊盘结构形成的电阻链条示意图；其中1a、1b分别表示第一条电阻链条的起、止端，2a、2b分别表示第二条电阻链条的起、止端，……以此类推，共4条。

图4为封装基板与系统母板对焊后的主视示意图，虚线表示电阻链条。

图5为复杂系统母板BGA焊盘分布式布置及多层布线正面示意图(不同线型代表不同层布线)。

图6为复杂系统母板BGA焊盘分布式布置及多层布线背面示意图(不同线型代表不同层布线)。

图7为封装基板与复杂系统母板BGA板级互连主视示意图。

图8为测试系统组成示意图。

图中，1-封装基板，2-封装基板上的图形化焊盘，3-系统母板，4-系统母板上的图形化焊盘，5-金属化孔，6-电阻链条一，7-电阻链条二，8-电阻链条三，9-电阻链条四，10-BGA焊球，11-复杂系统母板，12-复杂系统母板中的内层布线，13-多芯连接器安装区域，14-BGA封装基板焊接焊盘图形区域，15-多芯连接器，16-BGA封装板级互连测试件，17-温度环境试验箱，18-接口连线，19-低阻测试设备，20-测试数据处理及显示系统，101-表示一种拓扑类型和材料体系下的BGA封装，在以下具体实施方式的文字阐述中简称101 BGA封装，102-表示另一种拓扑类型和材料体系下的BGA封装，在以下具体实施方式的文字阐述中简称102 BGA封装。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

相比现有技术中采用的Darveaux理论方程系数来源于文献的方案，本发明的发明人经过创造性的思考后，采用实测与理论相结合的方法，旨在解决背景中存在的问题。本发明实施例的目的之一在于提供一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，旨在提升焊点寿命预测的准确度，其主要技术构思在于：通过在封装基板的表面焊盘区域通过图形化实现骨头型焊盘，在系统母板的表面焊盘区域通过印制板图形化工艺实现骨头型焊盘，封装基板与系统母板上的骨头型焊盘形成互耦结构，经回流焊后每一圈形成连续的电阻链条。在具体实施过程中，通过电阻在线监测得出每一圈电阻链条的耐温度循环次数作为实测的热疲劳寿命，再采用有限元方法计算得到每一圈电阻链条中危险焊点在单个稳定温度循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave，以此为输入对Darveaux理论方程进行系数标定，最终实现板级互连焊点热疲劳寿命的快速、精确预测。

在具体实现过程中，本发明提供的一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测的技术方案，其具体实现过程中还包含以下发明点：

发明点(1)在于：制作BGA封装板级互连测试件，该测试件包括封装基板和系统母板，系统母板可以是单面或双面贴装板，分布式布置多个拓扑类型、材料体系相同或不同的BGA封装焊接区域，封装基板和系统母板对应区域具有互耦的图形化焊盘，对焊后形成电阻链条。不同区域的电阻链条通过印制板内部多层布线引出，引出区域预留多芯连接器安装位置，焊盘图形结构及印制板内布线示意如图5、图6；

所述的拓扑类型是指封装基板的物理结构形式及BGA焊点结构形式，所述的材料体系包括封装基板的材料、基板上图形化焊盘的材料以及BGA焊点材料，且拓扑类型和材料体系对某特定的BGA封装来说是确定的。

发明点(2)在于：发明点(1)中所述的BGA封装板级互连测试件，所描述的分布式布置的多个封装基板，其拓扑类型和材料体系相同或不同，在每个封装基板上表面通过图形化工艺制作周期性间断的骨头型焊盘结构，共4圈焊盘图形，焊盘图形表面满足可焊性要求，详细结构见图1；

特别地，封装基板上的焊盘图形呈环形分布，每一圈图形以封装基板中心为圆心，以R1、R2、R3、R4为半径，由于BGA焊点的应变能与其距封装基板中心的距离强相关，由此保证封装基板与系统母板BGA互连后同一圈上的任一BGA焊点单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave相同。

发明点(3)在于：发明点(1)中所述的BGA封装板级互连测试件，所涉及的系统母板，在与封装基板对焊区域制作周期性间断的骨头型焊盘结构，每个区域共4圈焊盘图形，在信号引出端的骨头型焊盘中心制作金属化孔，用于连接系统母板内层布线，详细结构见图2。系统母板上的图形化焊盘与步骤(2)中封装基板上的焊盘图形互耦，焊盘图形表面满足可焊性要求；

所述的焊盘图形互耦详见图3，是指封装基板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部和系统母板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部通过BGA焊点互连后，形成闭合无间断的电阻链条，信号流见图4。

发明点(4)在于：对BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，发明点(1)中所述多芯连接器的接口连线为耐高低温导线且单根连线阻值不超过0.15Ω，将该耐高低温导线与低阻测试设备连接，测试通道数与待测电阻链条数一致，每个测试通道采用四线法测电阻；

特别地，对系统母板上的特定拓扑类型和材料体系下的某封装基板的电阻链条进行在线监测直至互连失效(互连电阻值超过初始阻值的20％认为失效)，记录4组电阻链条的耐温度循环次数依次为：N_w1、N_w2、N_w3、N_w4，并等效为每个电阻链条实测的热疲劳寿命；

特别地，针对发明点(1)～(3)中所述的BGA封装板级互连测试件建立有限元仿真模型，每一圈电阻链条中选择任一焊点，依次计算出4组电阻链条中BGA焊点的单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave1、ΔW_ave2、ΔW_ave3、ΔW_ave4，在公式(1)的基础上构建如下4组公式：

式中a为BGA焊点与基板接触区域的等效直径，为已知量，采用Matlab编程联立求解得到K₁’、K₂’、K₃’、K₄’四个常量，即为该特定拓扑类型和材料体系下的用于热疲劳寿命计算的Darveaux理论方程的系数。

发明点(5)在于：对与发明点(1)～发明点(3)中拓扑类型和材料体系相同的BGA封装板级互连结构(BGA焊点在基板上的阵列布置形式不受限制)，通过建立有限元模型求得封装互连区域内任意位置BGA焊点的单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW'_ave，均可采用公式(6)实现对该焊点的热疲劳寿命预测；

发明点(6)在于：一种拓扑类型和材料体系的BGA封装仅对应一组Darveaux理论方程的系数，对于系统母板上布置的其他拓扑类型和材料体系的BGA封装，可采用发明点(4)0中的处理方法批量实现Darveaux理论方程的系数标定，热疲劳寿命计算不受BGA焊点阵列排布方式的限制，灵活满足工程应用中多种不同拓扑类型和材料体系下BGA板级互连焊点热疲劳寿命快速、精准预测。

本发明实施例提供了一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其具体实现过程包含以下步骤：

如图1所示，制作封装基板1，通过图形化工艺实现周期性间断的封装基板上的图形化焊盘2(实施例中为骨头型)，在具体实施时，封装基板1典型厚度可为2mm，封装基板1上的焊盘典型直径可为0.45mm，焊盘满足可焊性要求。其中，R1～R4均表示焊盘直径，在实施例中可取：R1＝2mm，R2＝3.2mm，R3＝4.5mm，R4＝5.75mm；

如图2所示，与封装基板1对焊区域的系统母板3表面制作周期性间断的系统母板上的图形化焊盘4(实施例中为骨头型)，该焊盘与封装基板1上的周期性间断的骨头型图形化焊盘形成互耦结构，在实施例中系统母板3典型厚度为3mm，系统母板3上的焊盘典型直径0.45mm，焊盘满足可焊性要求。

封装基板1与系统母板3采用BGA焊球(或也可称为BGA焊柱，本实施例中焊球与焊柱实质等同)10经过回流炉焊接后，形成如图3所示的闭合无间断的电阻链条(电阻链条一6，电阻链条二7，电阻链条三8，电阻链条四9)，电阻链条中1a、1b分别表示第一条电阻链条的起、止端，2a、2b分别表示第二条电阻链条的起、止端，……以此类推，共4条。图4中带箭头的虚线部分表示电阻链条信号路径。

如图5、图6所示，按照步骤(1)制作多个拓扑类型和材料体系不同的带有骨头型图形化焊盘的封装基板，按照步骤(2)制作焊盘图形与封装基板焊盘图形互耦的复杂系统母板11，其特点在于，在同一个系统母板上分布式布置多个BGA封装基板焊接焊盘图形区域14，采用多层布线实现不同区域的电阻链条引出至多芯连接器安装区域13，每个BGA封装的电阻链条与系统母板中的内层布线12通过金属化孔5连接。

将不同尺寸的BGA封装基板、多芯连接器15焊接至复杂系统母板11的对应区域，形成BGA封装板级互连测试件16。

分布式BGA封装板级互连电阻在线测试系统示意如图8所示，整个测试过程中BGA封装板级互连测试件16置于温度环境试验箱17中(高温100℃，低温-40℃，保温时间30min，高低温转换时间5min)，待测件中的电阻链条通过多芯连接器15的接口连线与低阻测试设备19连接，外接测试数据处理及显示系统20。

本发明实施例的特点之一在于，多芯连接器15的接口连线18为耐高低温导线，单根连线阻值0.12Ω，本示例中低阻测试设备的测试通道数为32个，每个测试通道采用四线法测电阻，采用温度触发方式进行阻值在线采样，在高、低温保温阶段每隔10min采样一次。

根据各个通道的测试数据绘制每条电阻链条整个测试周期内的阻值动态变化过程曲线，以电阻链条阻值不超过初始值20％为失效判据，确定各电阻链条的耐温度循环次数。

选择图7中101和102两种不同的拓扑类型和材料体系下的BGA封装进行示例：对于101BGA封装，测得其4个电阻链条的耐温度循环次数分别为：N_{101_w1}＝978、N_{101_w2}＝1269、N_{101_w3}＝1463、N_{101_w4}＝1832，构建有限元仿真模型计算得到101封装中每个电阻链条中的危险焊点单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_{101_ave}1＝0.40825MPa、ΔW_{101_ave}2＝0.3235MPa、ΔW_{101_ave}3＝0.2851MPa、ΔW_{101_ave}4＝0.2335MPa，对Darveaux理论方程的系数标定如下：

式中a为BGA焊点与基板接触区域的等效直径，本示例中a＝0.52mm，采用Matlab编程联立求解得到四个系数K′_{101_1}＝17.63、K′_{101_2}＝-1.58、K′_{101_3}＝1.51×10^-3、K′_{101_4}＝1.08。

对于101拓扑类型和材料体系下的其他尺寸BGA封装任意焊点，只需通过有限元仿真求得焊点单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW′_{101_ave}，则可根据下述公式快速、准确预测热疲劳寿命，无需再开展重复性试验：

对于102BGA封装，测得其4个电阻链条的耐温度循环次数分别为：N_{102_w1}＝615、N_{102_w2}＝766、N_{102_w3}＝895、N_{102_w4}＝1076，构建有限元仿真模型计算得到102BGA封装中每个电阻链条中的危险焊点单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_{102_ave}1＝0.513、ΔW_{102_ave}2＝0.423、ΔW_{102_ave}3＝0.369、ΔW_{102_ave}4＝0.314，对Darveaux理论方程的系数标定如下：

式中a为BGA焊点与基板接触区域的等效直径，本示例中a＝0.45mm，采用Matlab编程联立求解得到四个系数K′_{102_1}＝18.29、K′_{102_2}＝-1.38、K′_{102_3}＝1.67×10^-3、K′_{102_4}＝1.12。

对于102拓扑类型和材料体系下的其他尺寸BGA封装任意焊点，只需通过有限元仿真求得焊点单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW′_{102_ave}，则可根据下述公式快速、准确预测热疲劳寿命，无需再开展重复性试验：

实施例1

一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

S1，制作BGA封装板级互连测试件：包括制作封装基板和系统母板，系统母板包括单面或双面贴装板，分布式布置多个拓扑类型、材料体系相同或不同的BGA封装焊接区域，封装基板和系统母板对应区域具有互耦的图形化焊盘，对焊后形成电阻链条；不同区域的电阻链条通过印制板内部多层布线引出，引出区域预留多芯连接器安装位置；

S2，对所述BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，得到基于实测的Darveaux理论方程的系数；

S3，通过建立有限元模型求得封装互连区域内任意位置BGA焊点的理论单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW′_ave，并将ΔW′_ave带入利用步骤S2得到的基于实测的系数构建的Darveaux理论方程进行热疲劳寿命预估，实现对该焊点的热疲劳寿命预测。

实施例2

在实施例1的基础上，在步骤S1中，所述拓扑类型是指封装基板的物理结构形式及BGA焊点结构形式；所述的材料体系包括封装基板的材料、基板上图形化焊盘的材料以及BGA焊点材料，且拓扑类型和材料体系对某特定的BGA封装来说是确定的。

实施例3

在实施例1的基础上，在步骤S1中，在每个所述封装基板上表面通过图形化工艺制作周期性间断的骨头型焊盘结构，共4圈焊盘图形，焊盘图形表面满足可焊性要求。

实施例4

在实施例1的基础上，在步骤S1中，所述封装基板上的焊盘图形呈环形分布，每一圈图形以封装基板中心为圆心，以R1、R2、R3、R4为半径，利用BGA焊点的应变能与其距封装基板中心的距离强相关的原理，以此来保证封装基板与系统母板BGA互连后同一圈上的任一BGA焊点理论单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave相同。

实施例5

在实施例1的基础上，在步骤S1中，所述系统母板在与封装基板对焊区域制作周期性间断的骨头型焊盘结构，每个区域共4圈焊盘图形，在信号引出端的骨头型焊盘中心制作金属化孔，用于连接系统母板内层布线；系统母板上的图形化焊盘与封装基板上的焊盘图形互耦，焊盘图形表面满足可焊性要求。

实施例6

在实施例1的基础上，在步骤S1中，所述具有互耦的图形化焊盘，是指封装基板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部和系统母板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部通过BGA焊点互连后，形成闭合无间断的电阻链条。

实施例7

在实施例1的基础上，在步骤S2中，对步骤S1制作的BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，所述多芯连接器的接口连线为耐高低温导线，将该耐高低温导线与低阻测试设备连接，测试通道数与待测电阻链条数一致，每个测试通道采用四线法测电阻；

对系统母板上的特定拓扑类型和材料体系下的某封装基板的电阻链条进行在线监测直至互连失效，记录4组电阻链条的耐温度循环次数依次为：N_w1、N_w2、N_w3、N_w4，并等效为每个电阻链条实测的热疲劳寿命。

实施例8

在实施例7的基础上，在步骤S3中，包括子步骤：对步骤S1制作的BGA封装板级互连测试件，建立有限元仿真模型，每一圈电阻链条中选择任一焊点，依次计算出4组电阻链条中BGA焊点的单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave1、ΔW_ave2、ΔW_ave3、ΔW_ave4，再在Darveaux理论方程的基础上构建如下4组公式：

式中a为BGA焊点与基板接触区域的等效直径，为已知量，求解得到K₁’、K₂’、K₃’、K₄’四个常量，即为该特定拓扑类型和材料体系下的用于热疲劳寿命计算的Darveaux理论方程的基于实测的系数。

实施例9

一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测用测试件，包括制作封装基板和系统母板，系统母板包括单面或双面贴装板，分布式布置多个拓扑类型、材料体系相同或不同的BGA封装焊接区域，封装基板和系统母板对应区域具有互耦的图形化焊盘，对焊后形成电阻链条；不同区域的电阻链条通过印制板内部多层布线引出，引出区域预留多芯连接器安装位置。

实施例10

一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测系统，包括如实施例9所述的测试件，以及包括温度环境试验箱和外接测试数据处理及显示系统，在温度环境试验箱中设置有低阻测试设备，测试件中的电阻链条通过多芯连接器的接口连线与低阻测试设备连接，低阻测试设备与外接测试数据处理及显示系统连接。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，制作BGA封装板级互连测试件：包括制作封装基板和系统母板，系统母板包括单面或双面贴装板，分布式布置多个拓扑类型、材料体系相同或不同的BGA封装焊接区域，封装基板和系统母板对应区域具有互耦的图形化焊盘，对焊后形成电阻链条；不同区域的电阻链条通过印制板内部多层布线引出，引出区域预留多芯连接器安装位置；

S2，对所述BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，得到基于实测的Darveaux理论方程的系数；

S3，通过建立有限元模型求得封装互连区域内任意位置BGA焊点的理论单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_a'_ve，并将ΔW_a'_ve带入利用步骤S2得到的基于实测的系数构建的Darveaux理论方程进行热疲劳寿命预估，实现对该焊点的热疲劳寿命预测。

2.根据权利要求1所述的板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述拓扑类型是指封装基板的物理结构形式及BGA焊点结构形式；所述的材料体系包括封装基板的材料、基板上图形化焊盘的材料以及BGA焊点材料，且拓扑类型和材料体系对某特定的BGA封装来说是确定的。

3.根据权利要求1所述的板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S1中，在每个所述封装基板上表面通过图形化工艺制作周期性间断的骨头型焊盘结构，共4圈焊盘图形，焊盘图形表面满足可焊性要求。

4.根据权利要求1所述的板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述封装基板上的焊盘图形呈环形分布，每一圈图形以封装基板中心为圆心，以R1、R2、R3、R4为半径，利用BGA焊点的应变能与其距封装基板中心的距离强相关的原理，以此来保证封装基板与系统母板BGA互连后同一圈上的任一BGA焊点理论单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave相同。

5.根据权利要求1所述的板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述系统母板在与封装基板对焊区域制作周期性间断的骨头型焊盘结构，每个区域共4圈焊盘图形，在信号引出端的骨头型焊盘中心制作金属化孔，用于连接系统母板内层布线；系统母板上的图形化焊盘与封装基板上的焊盘图形互耦，焊盘图形表面满足可焊性要求。

6.根据权利要求1所述的板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述具有互耦的图形化焊盘，是指封装基板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部和系统母板上第1、2、3、4圈焊盘图形中的骨头型焊盘结构端部通过BGA焊点互连后，形成闭合无间断的电阻链条。

7.根据权利要求1所述的板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S2中，对步骤S1制作的BGA封装板级互连测试件进行温度循环试验，所述多芯连接器的接口连线为耐高低温导线，将该耐高低温导线与低阻测试设备连接，测试通道数与待测电阻链条数一致，每个测试通道采用四线法测电阻；

对系统母板上的特定拓扑类型和材料体系下的某封装基板的电阻链条进行在线监测直至互连失效，记录4组电阻链条的耐温度循环次数依次为：N_w1、N_w2、N_w3、N_w4，并等效为每个电阻链条实测的热疲劳寿命。

8.根据权利要求7所述的板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S3中，包括子步骤：对步骤S1制作的BGA封装板级互连测试件，建立有限元仿真模型，每一圈电阻链条中选择任一焊点，依次计算出4组电阻链条中BGA焊点的单个稳定循环内的平均塑性应变能密度增量ΔW_ave1、ΔW_ave2、ΔW_ave3、ΔW_ave4，再在Darveaux理论方程的基础上构建如下4组公式：

式中a为BGA焊点与基板接触区域的等效直径，为已知量，求解得到K₁’、K₂’、K₃’、K₄’四个常量，即为该特定拓扑类型和材料体系下的用于热疲劳寿命计算的Darveaux理论方程的基于实测的系数。

9.一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测用测试件，其特征在于，包括制作封装基板和系统母板，系统母板包括单面或双面贴装板，分布式布置多个拓扑类型、材料体系相同或不同的BGA封装焊接区域，封装基板和系统母板对应区域具有互耦的图形化焊盘，对焊后形成电阻链条；不同区域的电阻链条通过印制板内部多层布线引出，引出区域预留多芯连接器安装位置。

10.一种板级互连BGA焊点热疲劳寿命预测系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的测试件，以及包括温度环境试验箱和外接测试数据处理及显示系统，在温度环境试验箱中设置有低阻测试设备，测试件中的电阻链条通过多芯连接器的接口连线与低阻测试设备连接，低阻测试设备与外接测试数据处理及显示系统连接。

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