淺析基于有限元分析的QFN器件焊點溫循壽命

隨著5G產(chǎn)品的大規(guī)模商用，產(chǎn)品遍布全球高原、沙漠、沿海等地區(qū)，面臨著各種復(fù)雜的使用工況，產(chǎn)品的可靠性壽命受到更嚴苛的考驗。針對市場產(chǎn)品需達到一個預(yù)期壽命比如10年或20年。當然這個不太可能將產(chǎn)品放在實際工況下做這么長時間的實驗，當前主要是通過加速實驗判斷預(yù)期壽命。

加速實驗中，獲取溫循壽命主要通過的是高低溫加速實驗，這種實驗一方面成本較高，并且只能暴露問題，無法提出解決方案，比如實驗完成后知道器件焊點溫循壽命低，在設(shè)計端怎么做可提高溫循壽命呢。通過有限元仿真可較好避免上述兩個弊端。

本文通過ABAQUS有限元仿真軟件，模擬分析典型QFN器件的焊點在熱循環(huán)下的可靠性壽命，通過實驗對比判斷仿真的精度，并且研究影響QFN焊點溫循壽命的相關(guān)因子。

器件焊點溫循失效機理

由于PCB與器件的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，在長期高低溫過程中形成交變載荷，導(dǎo)致焊點裂紋的萌生及擴展，最終導(dǎo)致焊點的失效。這種失效模式屬于低周疲勞失效。

圖1 器件焊點溫循失效機理

當前業(yè)界對焊點這種失效形式的預(yù)測模型有以下幾類:

基于應(yīng)變損傷的Coffin-Manson方程和其修正方程

基于損傷能量，典型的模型為Darveaux方程

基于蠕變變形的預(yù)測模型

基于斷裂參量為基礎(chǔ)的預(yù)測模型

幾類模型都可以預(yù)測溫循壽，最為常用的是基于應(yīng)變損傷的Coffin-Manson方程和基于損傷能力的Darveaux方程，而其中C-M方程常用于QFN類焊點溫循壽命預(yù)測，Darveaux常用于BGA等新式封裝的壽命預(yù)測。

仿真參數(shù)選擇及模型建立

因素分析

本文主要由兩部分內(nèi)容組成：實測焊點溫循壽命和仿真對比；研究影響QFN焊點溫循壽命的相關(guān)因子。

實際進行溫循壽命實驗的器件重點參數(shù)信息為：封裝尺寸6*6mm，PCB厚度2.4mm，PCB CTE16，焊點高度0.1mm，散熱焊盤面積占比為0.5。

首先，建立三維有限元模型分析焊點在溫循循環(huán)過程中的應(yīng)力應(yīng)變，其中采用Anand粘塑性本構(gòu)模型描述無鉛釬料SAC305的力學(xué)行為，采用修正后的Coffin-Manson壽命預(yù)測模型計算初始設(shè)計情況下的QFN封裝焊點溫循壽命，并和溫循實驗進行對比，判斷仿真精度。

表1 正交分析因子及水平表

在此芯片相關(guān)尺寸基礎(chǔ)上對上述5個因子進行研究，采用Taguchi實驗設(shè)計(Design of experiment，DOE)方法建立L16（45）正交實驗表進行最優(yōu)因子組合設(shè)計，最后采用有限元分析方法對最優(yōu)因子組合設(shè)計結(jié)果進行驗證，得到最優(yōu)因子組合設(shè)計情況下的熱疲勞壽命。

有限元模型

由于幾何結(jié)構(gòu)的對稱性，采用ABAQUS和Hypermesh等有限元仿真軟件建立三維1/4有限元模型，其中包括QFN封裝、PCB和焊點。模型采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，單元類型為C3D8I，焊點為Anand粘塑性材料本構(gòu)，其他材料均為線彈性材料本構(gòu)。

a、整體有限元仿真模型

（b）局部有限元仿真模型

圖2仿真分析的有限元模型

溫循壽命求解

焊點在溫循循環(huán)載荷下的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變是影響熱疲勞可靠性的重要因素，在高溫駐留階段的影響尤為明顯。溫循循環(huán)完成后，提取焊點在最后一個溫度循環(huán)中高溫駐留階段結(jié)束時的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變分布進行分析，確定最易發(fā)生熱疲勞失效的焊點和位置，即關(guān)鍵焊點和關(guān)鍵位置

結(jié)合圖3和圖4研究可發(fā)現(xiàn)。最大等效應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變均位于同一位置，即器件的邊角處焊點與引腳結(jié)合界面的端部，說明在溫度循環(huán)載荷下，疲勞裂紋極易在關(guān)鍵焊點與引腳結(jié)合界面端處萌生。從圖3圖4和圖5來看，實測的失效位置及裂紋形態(tài)均與仿真比較符合。

圖3焊點的等效應(yīng)力分布云圖(Mpa)

圖4焊點的等效塑性應(yīng)變分布云圖 圖5失效邊角焊點的切片圖

通過圖3和圖4確定關(guān)鍵焊點和關(guān)鍵位置后，提取關(guān)位置的等效應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變隨溫度循環(huán)載荷的變化進行分析，分別如圖6、圖7所示：

圖6焊點等效應(yīng)力隨時間變化

圖7焊點等效應(yīng)力隨時間變化

從圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，在5Cycle循環(huán)中，應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。應(yīng)變的增加量也趨于穩(wěn)定。我們采用Engelmaier Wild修正的Coffin-Manson方程通過提取焊點的等效塑性應(yīng)變進行溫循壽命計算，計算公式為：

式中：Nf---熱疲勞平均壽命；△γ---等效非彈性剪切應(yīng)變范圍；△?---等效非彈性總應(yīng)變范圍；?f---疲勞韌性系數(shù)=0.325；f---循環(huán)頻率。此處c與熱循環(huán)的溫度和頻率有關(guān)。

C=-0.442-6*10-4Tm+1.74*10-2ln(1+f)、Tm=(Tmax+Tmin)/2，式中：Tm—熱循環(huán)的平均溫度，Tmax---循環(huán)最大溫度值，Tmin---循環(huán)最小溫度值。

根據(jù)以上公式求得進行溫循實驗的QFN器件的溫循仿真壽命為560Cycle，而實際實驗的測試值為500Cycle，溫循仿真和實測的吻合度為89.3%。

數(shù)據(jù)分析

通過上節(jié)內(nèi)容我們獲取了仿真吻合度，本節(jié)內(nèi)容研究影響焊點溫循壽命的相關(guān)因子，將16組正交實驗的結(jié)果進行提取，并進行主效應(yīng)分析，從圖8可發(fā)現(xiàn)，在其他因子固定的情況下，器件的封裝尺寸、PCB厚度、PCBCTE數(shù)值和焊點的壽命成負相關(guān)；焊點高度和焊點的疲勞壽命成正相關(guān)；散熱焊盤面積占比疲勞壽命影響較?。?/p>

圖8焊點疲勞壽命主效應(yīng)分析示意圖

獲取主效應(yīng)影響后僅知道了各因子對溫循壽命的影響是正相關(guān)或負相關(guān)，工程師需要知道哪些因子對疲勞壽命的影響最大，我們接下來進行顯著性因子分析：

圖9-1顯著性分析表

圖9-2顯著性分析表

通過圖9-1和9-2可得出，器件封裝尺寸、PCB厚度、PCB CTE均為顯著性因子，但PCB CTE的顯著性遠遠其他幾項，故在設(shè)計時為了保證焊點的溫循可靠性壽命應(yīng)著重考慮PCB的CTE。

將原始器件尺寸按主效應(yīng)和顯著性分析進行優(yōu)化，得到數(shù)據(jù)如圖10所示，通過優(yōu)化使焊點的溫循壽命有較大提升。

圖10優(yōu)化效果提升圖

總結(jié)

高低溫加速實驗成本高、周期長，無法提出優(yōu)化方案。仿真可以較好的解決上述問題。當前焊點溫循仿真在部分QFN器件的壽命預(yù)測上能達到85%以上的精度，仿真得到LOW-CTE板材對焊點溫循壽命有顯著影響在實際項目中得到驗證。

審核編輯：劉清