焊點加速壽命試驗模擬

馬正剛，夏宗澤

（江蘇自動化研究所，連云港 222006）

引言

電子產品封裝中焊點在復雜應力作用下會因疲勞發生斷裂失效而引發可靠性問題，而焊點的壽命直接影響電子產品的使用壽命。加固計算機等電子裝備實際工作環境嚴苛，環境應力復雜多變，在持續熱循環載荷作用下焊點可能會發生疲勞失效，導致電子裝備故障。焊點一般由多種材料組成，當溫度發生變化時，由于各個材料熱膨脹系數不同，導致焊點內部發生不連續應變而引起應力集中現象，材料隨著環境的持續加熱與冷卻，應力狀態反復變化直至疲勞，最終導致焊點斷裂失效[1]。在加速壽命試驗中，試驗件承受的溫度載荷遠超正常工作條件，焊點因疲勞出現斷裂失效的概率增加。對于焊點的疲勞壽命預測，一般應用理論方法或有限元法，姜志中[2]研究了焊點在熱循環載荷下的失效機理，并采用Coffin-Manson 模型對焊點進行疲勞壽命模擬。

針對焊點內部的疲勞失效問題，本文以加固計算機中封裝電路板為研究對象，建立簡化的電路板二維軸對稱模型，開展焊點加速壽命試驗模擬，應用有限元法模擬了焊點內部由熱應力導致的應力應變情況，分別利用Coffin-Manson和Morrow壽命模型預測了焊點的疲勞壽命。

1 焊點模型

1.1 焊點模型定義

研究模型使用了電路板的原理圖，其包含了模型的主要結構和功能。電路板模型如圖1所示。模型包含了芯片、焊點、印刷電路板、以及中間連接件，使用軸對稱方法進行建模，PCB板和芯片的尺寸均為2×0.5 mm2，焊點的尺寸為0.5×0.25 mm2。

圖1 電路板模型

1.2 材料屬性、網格

印制電路板（PCB）是一種玻璃纖維壓板結構，焊點材料為SnAgCu合金，計算中假設模型結構處于平面應變狀態，所有材料為各項同性，且材料性能不受溫度影響[6]。這些材料在熱載荷加載中會產生線性和非線性響應，材料參數如表1所示。模型網格采用自由劃分的方式，網格類型為自由三角形網格。

表1 電路板各組件材料參數

1.3 邊界條件與載荷

1）約束條件

在循環溫度應力作用過程中，電路板受固定約束，約束點為PCB板右下角。

2）熱循環載荷

熱循環載荷作為一種經典的交變溫度應力，能夠比較準確的模擬出焊點在工作條件下所受到周期性變化的熱應力下焊點的應力應變響應。加速壽命試驗的熱循環載荷：（25～100）℃，高低溫保溫時間均為15 min，升降溫速率為5 ℃/min，一個循環為60 min，溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 熱循環載荷變化圖

2 疲勞壽命模型

采用蠕變模型來研究焊點在溫度應力下的疲勞規律，焊點材料的蠕變是非線性的。蠕變是材料的一種特性，蠕變分為初級蠕變、二級蠕變、三級蠕變三個階段，各階段下蠕變速率不同，二級蠕變過程又稱穩態蠕變，因為恒定應力下應變速率不變。如圖3所示，恒定應力下材料的蠕變隨時間不斷變化，蠕變應力逐漸增加。

圖3 恒定應力下材料蠕變變化趨勢

控制模型選擇雙牛頓蠕變方程，模擬焊點在穩定蠕變狀態下的疲勞壽命，不考慮材料的初級蠕變和三級蠕變過程，控制方程如下。

式中：

σe—等效應力；

AⅠ，nⅠ，AⅡ，nⅡ，σn—材料常數，參數值如表2所示。方程第一項表示低應力值下的蠕變速率，第二項表示高應力值下的蠕變速率。

表2 材料常數

3 結果分析

由蠕變激勵引起的非線性材料疲勞試驗是一個長耗時過程，在加速壽命試驗中，通過將材料置于遠超正常試驗的條件下來大大縮短試驗時間。當求解非線性材料的疲勞壽命時，通過模擬一個循環就可以獲得穩定循環狀態。計算得到材料的等效蠕變應力曲線，如圖4所示。焊點的等效蠕變應力值是低應力和高應力值下兩種蠕變應力的總和，一個溫度循環中，等效蠕變應力值主要以高應力值下蠕變為主，低應力值下的蠕變應力較小。

圖4 焊點等效蠕變應力曲線

利用Coffin-Manson和Morrow壽命模型預測焊點的疲勞壽命，其分別是基于應變和基于能量耗散來計算疲勞壽命，結果如圖5和圖6所示。兩種預測模型下，焊點的疲勞壽命結果分別為907和625個循環數，臨界點均位于左上角，焊點的左上角在循環溫度載荷下是最先失效的地方。不同的控制模型下，由于模型參數存在差異，預測結果有所差別。

圖5 基于應變模型的疲勞壽命

圖6 基于能量耗散的疲勞壽命

4 結論

1）循環溫度應力加載下的加速壽命試驗中，焊點的蠕變等效應力主要以高應力值下蠕變應力為主，低應力值下的蠕變應力較小；

2）焊點在（25～100）℃的循環溫度應力作用下，基于應變控制（Coffin-Manson）和能量耗散控制（Morrow）的疲勞壽命分別為907和625個循環，兩種結果中焊點的臨界點均位于左上角，在加速壽命試驗中焊點左上角是最先失效。