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印制电路信息 2024 No.4互连组装 Interconnect AssemblyPCB各向异性行为对焊点疲劳寿命的影响研究潘浩东1 彭伟2 孙国立1 王剑2 聂富刚2 贺光辉1（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518000）摘要当前微系统不断向着小型化、高密度和高可靠性方向发展，印制电路板（PCB）为微系统器件提供电气连接和机械支撑，对系统的服役可靠性起着至关重要的作用。根据PCB在不同方向上热膨胀系数（CTE）的差异，通过数值模拟研究了3种PCB模型在温度循环载荷下焊点的寿命和应力应变响应情况，并对比了3种模型得到的计算结果，发现3种模型得到的结果存在较大差别。通过试验结果验证了仿真的准确性，表明在进行板级有限元分析时，关注焊球寿命时应充分考虑PCB复合材料的各向异性行为。同时，定量分析了由不同类别PCB模型获得的焊点寿命，为建立板级高保真数值模型和调控焊点寿命提供依据。关键词印制电路板；各向异性；焊点；热疲劳寿命中图分类号：TN405文献标志码：A文章编号：10090096（2024）04004306Research on the effect of anisotropic behavior of PCB on the fatigue of solder jointsPAN Haodong1 PENG Wei2 SUN Guoli1 WANG Jian2 NIE Fugang2 HE Guanghui1(1.The 5th Research Institute of MIT,Guangzhou 511370,Guangdong,China;2.Zhongxing Telecom Equipment Corporation,Shenzhen 518000,Guangdong,China)AbstractMicrosystems are constantly developing towards miniaturization,high density,and high reliability.Printed circuit boards(PCBs)provide electrical connections and mechanical support for the components of microsystems,playing a crucial role in the reliability of the system in service.Based on the differences in coefficient of thermal expansion(CTE)of PCB boards in different directions,this article studies the solder joint life and stress-strain response of three PCB board models under temperature cycling load through numerical simulation,and compares the calculation results obtained by the three models.It is found that there are significant differences in the results obtained by the three models.The accuracy of the simulation is verified by the experimental results,indicating that when conducting board level finite element analysis,the anisotropic behavior of PCB board composite materials should be fully considered when paying attention to the solder ball life.At the same time,quantitative analysis is conducted on the similarities and differences in solder joint lifespan obtained from different types of PCB models,providing guidance for establishing high-fidelity numerical models at the board level and regulating solder joint lifespan.Key wordsprinted circuit board(PCB);anisotropy;solder joints;thermal fatigue life作者简介：潘浩东（1996），男，工程师，硕士，主要研究方向为电装工艺可靠性及焊点寿命评价。-43互连组装 Interconnect Assembly印制电路信息 2024 No.40引言摩尔定律自诞生以来推动着集成电路产业不断向前发展，工艺的成熟不断促进着硅光芯片1、光学器件2和功率器件3的发展。随着芯片内部的晶体管数不断增加，封装结构也向着三 维 和 异 质 集 成 方 向 发 展，重 布 线 层（redistribution layer，RDL）的线宽不断缩小，层数不断增加。单颗芯片或芯片组经封装后形成单个元器件，可实现特定的功能。进入后摩尔时代，单颗器件无法满足日益增长的需求。器件最终还需装联在印制电路板（printed circuit board，PCB）上，才能系统实现电气互联和信号传递4。板级可靠性是保证整个系统正常工作的最后一环，通常在板级互联之前，单个器件已经满足可靠性试验要求，但是当电容、电感、中央处理器（central processing unit，CPU）、图像处理器（graphics processing unit，GPU）等通过方形扁平无引脚封装（quad flat no-leads package，QFN）、方形扁平式封装（quad grid package，QFP）或球栅阵列封装（ball rid array，BGA）等各类封装形式装联在PCB上时，会再次出现可靠性问题。在上装和服役过程中，由于与器件的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）失配5-6，PCB会发生较大翘曲，导致焊球持续承受交变应力，使焊球内部裂纹不断扩展直至焊点断裂，且焊点热疲劳导致微电子封装器件失效的数目占失效总数的80%7。许多研究者将研究对象局限在焊球本身，当前PCB对焊球疲劳寿命的影响也受到众多研究者的关注。苏佩琳等8对传统的 PCB 结构进行改进，在温度循环载荷下将焊点疲劳寿命提高了3.48倍。马丽利9采用正交设计的方法，研究了树脂含量、焊盘类型，以及焊盘大小对焊点强度的影响。侯传涛等10发展了一种工程算法用于评估PCB上焊点热疲劳寿命，其结果与有限元计算结果吻合较好。关于 PCB的等效均匀化方法，一些学者将PCB看作各向同性的均质材料来预估焊点的热疲劳寿命11-12。于岩13选择横观各向同性材料进行均匀化，还有一些学者将其视为正交各向异性材料14。但少有学者研究不同均匀化方法的差别以及分析在相同条件下计算结果的误差。围绕这一问题，本文首先归纳了目前处理PCB常用的3种方式，建立了3类板级有限元模型；其次讨论和分析了采用不同均匀化方法处理CTE得到的计算结果的差别及其产生的原因；最后给出了改善焊点疲劳寿命的策略，为建立高精度模型提供参考。1有限元分析1.1封装结构的几何尺寸建立的几何模型如图 1所示，主要包括环氧塑封料（epoxy molding compound，EMC）、芯片、芯片粘接层、焊盘（Pad）、焊球和PCB。转接板下侧分布272颗焊球，焊球上下表面为焊盘，该模 型 不 考 虑 金 属 间 化 合 物（intermetallic compound，IMC）层 的 影 响。PCB 由 覆 铜 板（copper clad laminate，CCL）、树脂和玻璃纤维压合而成，具有一定的多尺度特征。建立完整的有限元模型较为困难，其对焊球寿命影响较大，因此需采用合适的均匀化方法对PCB板进行处理。各部件尺寸参数见表1。1.2有限元模型封装模块为对称结构，为提高计算效率并降低计算规模，建立了一系列 1/4有限元模型，如 图1几何模型表1封装结构各部件尺寸参数参数名称塑封料尺寸芯片尺寸芯片黏接层尺寸焊球高度焊盘直径基板尺寸PCB尺寸EMC厚度芯片厚度粘接层厚度焊球直径焊盘高度基板厚度PCB厚度典型尺寸/mm12.0612.062.322.322.322.320.500.6013.5713.5723.0623.061.170.200.021.200.100.505.53-44印制电路信息 2024 No.4互连组装 Interconnect Assembly图 2所示。不同模型之间的几何参数相同，PCB采用的材料参数不同，为保证计算结果的可信度，单元的划分方式、单元数和节点数均保持一致。单元数和节点数分别为1 315 572和3 254 931，单元类型为20节点六面体单元。除焊球外其余材料均采用线弹性模型。有限元模型使用的材料参数见表2。不同PCB板模型类别定义见表3。模型1为实物 PCB测试数据；模型 24为在模型 1基础上假定PCB为横观各向同性或各向同性材料设定的参数，弹性模量为35 GPa，泊松比为0.3。温度循环过程中，焊球在热力作用下发生黏塑性变形，Anand模型可准确描述焊料的本构关系，反映黏塑性材料与时间和应变率相关的变形行为。Anand模型统一了演化方程和流动方程用于描述焊点的黏塑性行为15，流动方程如下：p=Aexp()-QRT sinh()s1/m（1）式中：p为非弹性应变速率，s1；为应力因子；A为常数；Q为激活能，Jmol1；R为气体常数；T为绝对温度，K；m为应变率敏感指数；s为内变量，Pa；为有效应力，Pa。演化方程为s=h0(|B|)aB|B p（2）式中：h0、a为材料应变硬化参数，h0单位为Pa，a无量纲；B为瞬态蠕变参数，其值为B=1-ss*（3）式中：s*为内变量s的饱和值，其值为s*=s pAexp(QRT)n（4）式中：s为变形阻力饱和系数，Pa；n为应变率的敏感度指数。用于确定Anand模型的9个参数见表4，可直接输入到有限元软件，用于确定焊点的材料本构关系。1.3载荷和边界条件温度循环试验温度条件为40125，设定温度曲线如图 3所示，高低温各保温 15 min，升降 温 时 间 均 为 15 min，1 个 温 度 循 环 周 期 为 3 600 s，循环4个周期。1.4Darveaux寿命预测模型Darveaux 是 一 种 基 于 能 量 的 寿 命 预 估 模型16，根据关注区域的黏塑性应变能密度预测疲劳寿命，可避免对关键位置的网格依赖，产生初始裂纹时的循环次数N0为表4焊点SAC305黏塑性Anand参数8含义初始形变阻抗值s0/MPa激活能常数(Q/R)/K-1常数A/s1应力乘子应力的应变率敏感度指数m硬化参数h0/Pa变形阻力饱和值系数S/Pa饱和值的应变率敏感度指数n材料应变硬化参数a参数值21.009 320.003 501.004.000.251.810113.021070.011.78表3PCB板模型类别定义模型类别正交各向异性模型横观各向同性模型各向同性模型模型序号PCB模型1PCB模型2PCB模型3PCB模型4PCB模型5CTE/（10-6K1）x2222162216y1622162216z4242422216图21/4有限元模型表2有限元模型材料参数名称芯片焊球焊盘塑封料材料硅SAC305铜环氧树脂弹性模量/GPa11051011570泊松比0.240.350.300.30CTE/(10-6K1)2.623.517.623.6-45互连组装 Interconnect Assembly印制电路信息 2024 No.4N0=K1(Wave)K2（5）式中：Wave为在每个循环焊点平均黏塑性应变能量密度的累积，Pa；K1、K2为与材料相关的常数。裂纹扩展速率为ddN=K3(Wawe)K4（6）式中：K3、K4为与材料相关的常数。疲劳寿命Nf 为Nf=N0+K1da/dN（7）式中：K1为裂纹长度。在预测方程中，常数K1、K2、K3和K4可通过文献 16 得到。本文使用的Darveaux模型中的裂纹扩展相关系数见表5。2仿真与试验结果2.1关键位置焊球的应力分析9 600 s时3类PCB模型的von Mises应力云图如图4所示。由于边角处焊球热失配最严重，因此受到的应力最大，在服役过程中最先发生塑性变形而产生微裂纹；边角处也是最先失效的位置。中心位置处焊球热应变较小，受到的应力也最小。从中心位置到边缘位置，应力逐渐增加，呈梯度分布。PCB模型2和4最大应力为38.4 MPa，高于模型1的36.2 MPa；PCB模型3和5应力最小，仅为30.3 MPa。2.2焊点疲劳寿命分析温度循环结束后，提取最后一个循环焊球危险点的应变能密度、裂纹扩展速率和产生初始裂纹时的循环次数。依据Darveaux寿命预测模型得到的3类模型的热疲劳寿命如图 5 所示。由图 5 可知，PCB模型3和5可承受的循环次数最多，分别为6 016和6 013，这两个模型的区别仅在z方向CTE值不同，在寿命上几乎相同，因此，PCB板z向CTE对焊点疲劳寿命的影响非常小。最短寿命出现在模图3温度循环载荷示意图表5Darveaux裂纹扩展相关系数17参数K1K2K3K4参数值22 4001.525.8610120.98图49 600 s时PCB模型von Mises应力云图-46印制电路信息 2024 No.4互连组装 Interconnect Assembly型2和4，且这2个模型的差异仅在z方向的CTE不同，得到的疲劳寿命均为681个循环。再次验证z向CTE不是影响焊点疲劳寿命的主要影响因素。模型3得到的寿命是模型2的8.83倍，其原因是这2个模型在x和y向CTE的取值不同，所以x和y向平面CTE 对疲劳寿命的影响远大于 z向 CTE。与前述 4个模型不同的是，模型1考虑的PCB板的各向异性行为最贴近真实情况，该模型得到的寿命为 1 383个循环，介于横观各向同性模型和各向同性模型之间，这是因为模型1的x和y方向CTE取值不同（x向22106/K1，y向16106/K1）。2.3焊点温度循环试验结果对 印 制 电 路 板 组 装（printed circuit board assembly，PCBA）实物组件开展温度循环试验，试验条件与仿真温度循环条件设定一致，对样品按既定循环次数进行抽样切片观察其热疲劳寿命，当开裂比例超过50%时，判断焊点开裂失效。焊点温度循环后截面形貌如图6所示。由图6可知，该 PCBA组件试验板热疲劳寿命在1 000 1 500循环，与模型1仿真数据最为接近。一方面验证了数值仿真结果准确性较好，具有参考意义；另一方面说明只有采用各向异性模型去表征PCB的材料属性，才能相对准确地模拟出焊点的热疲劳寿命。3结论本文采用有限元仿真模拟了3类PCB模型在温度循环载荷下的力学行为，基于Darveaux模型评估了焊点的疲劳寿命，并对计算结果进行分析和研究，得到以下结论：（1）通过分析得到的应力云图，可知 3种模型 应 力 响 应 有 差 异，在 9 600 s 时 最 大 相 差 8.1 MPa，采用横观各向同性模型或各向同性模型相对于各向异性模型均会产生偏差。（2）通过仿真预估3类PCB模型的疲劳寿命，发现PCB未考虑CTE各向异性的模型与考虑了这一性质的模型存在较大差距。x和y向CTE的变化对焊点疲劳寿命有较大影响，最大相差 9.53 倍，但z向CTE的变化对焊点疲劳寿命几乎无影响。（3）仿真结果表明，如将PCB简单视为各向同性或横观各向同性，预估焊点疲劳寿命时会产生较大偏差。本文的研究成果可为板级高保真数值模型提供参考，即在建立板级焊点热疲劳仿真模型时要充分考虑PCB的各向异性行为。参考文献 1 郭进,冯俊波,曹国威.硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战J.中兴通讯技术,2017,23(5):7-10.2 刘书缘,邓龙江,毕磊.硅集成磁光非互易光学器件技术J.中兴通讯技术,2020,26(6):57-63.3 第九届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会暨第三代半导体产业融合创新发展(广州)论坛J.半导体技术,2023,48(9):827-828.4 李跃,田艳红,丛森,等.PCB组装板多器件焊点疲劳寿命跨尺度有限元计算J.机械工程学报,2019(6):54-60.5 蒋长顺,仝良玉,张国华.HITCE陶瓷阵列封装板级图5三类PCB模型焊球疲劳寿命比较图6焊点温度循环后截面形貌-47互连组装 Interconnect Assembly印制电路信息 2024 No.4互联可靠性研究J.电子与封装,2018,18(1):1-4.6 李苗,孙晓伟,宋惠东,等.CBGA器件焊接工艺与焊点失效分析J.电子与封装,2021,21(8):22-28.7 陈子夏,杨平,谭广斌.PCBA组件振动疲劳寿命的实验研究J.半导体技术,2008(11):1028-1031.8 苏佩琳,李涛,彭雄奇.PCB焊点热循环失效分析和改进设计J.应用数学和力学,2015,36(4):414-422.9 马丽利.PCB设计对焊点强度及坑裂失效的影响J.电子产品可靠性与环境试验,2013,31(6):21-23.10侯传涛,童军,荣克林.LCCC电子封装结构的热疲劳寿命分析J.强度与环境,2014,41(3):51-57.11张志庆,杨振涛,余希猛.CQFN封装结构的热疲劳寿命研究J.电子质量,2023(1):57-62.12张兴望,李会霞,夏伟国,等.不同基材结构PCB散热性能研究J.印制电路信息,2023,31(2):50-54.13于岩.导热CE-EP基复合材料制备与 PCB结构热仿真研究D.成都:电子科技大学,2016.14王兴久,沈煜年.多芯片双面PCB的热应力分析J.南 京 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 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