SMT-PGA封装焊点热疲劳寿命预计模型研究

夏丽娇，李小岩

（1.中国信息通信研究院，北京 100191；2.中国航空综合技术研究所，北京 100191）

SMT-PGA封装焊点热疲劳寿命预计模型研究

夏丽娇1，李小岩2

（1.中国信息通信研究院，北京 100191；2.中国航空综合技术研究所，北京 100191）

目的 研究SMT-PGA封装焊点热疲劳寿命预计模型。方法 运用Engelmaier模型预测SMT-PGA封装焊点的热疲劳寿命，并将Engelmaier模型计算结果与美国马里兰大学CALCE PWA寿命评估软件仿真结果作对比。结果 模型计算结果与马里兰大学寿命评估软件仿真结果存在较大差异。结论 表明 Engelmaier模型中的工程因子F并不是一个固定常数，而是受封装最低稳态温度的影响。

热疲劳；SMT-PGA封装；焊点；工程因子F

Engelmaier通过对 Coffin-Mason 模型的改正，并基于Wild[1]对于63Sn37Pb焊点热疲劳寿命统计结果，于1980年提出了无引线型电子封装热疲劳寿命预计模型[2]，并在随后提出了有引线型封装的热疲劳寿命预计模型[3—4]。焊点热疲劳故障的主要原因是由于焊点周边材料的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion）（CTE）不同，从而导致在热膨胀或者收缩时，各种材料产生的热应变不匹配，并在应变不协调处产生应力集中，导致裂纹的萌生和扩展，从而引起焊点的热疲劳破坏。研究表明，当 CTE相差2×10-6/℃时就会出现不匹配的现象。CTE之差小于5×10–6/℃时，产品焊接的可靠性才能得到一定的保证，而较大的 CTE差异往往会导致焊点在温度循环或使用过程中产生更大的应力，进而导致焊点产生疲劳裂纹直至失效[2]。经过多年的实践检验，Engelmaier模型对于表面贴装型封装的寿命预计具有很好的适用性，IPC-SM-785[5]and IPC-D-279[6]也将其作为电子封装热疲劳寿命预计模型。

文中应用Engelmaier模型对SMT-PGA封装进行寿命预计，并与美国马里兰大学 CALCE中心的CALCE PWA[14]评估软件比对，一般情况针对有引线型封装，工程因子F为固定值，且F=1[3]。然而结果表明，模型中的工程因子F并不是一个固定值，而是受封装工作的最低稳态温度的影响。文中绘制出了F与封装最低稳态温度的相关曲线，表明了F因子是如何影响模型计算结果的，这为随后的研究者提供了一种新的思路。

1 Engelmaier模型介绍

Engelmaier研究了焊点的热疲劳失效，于 1980年提出了焊点热疲劳寿命预计模型，称之为Engelmaier模型，如式（1）所示：

对于有引线型封装：

对于共晶焊料，2εf=0.625。

式中：Nf为失效循环数；Δγ为焊点循环剪切应变范围；εf为焊点疲劳延伸系数；F为工程因子，对于有引线型封装一般取1；kd为引线刚度；2LD为焊点之间最大距离（对于正方形取封装长度方向引线最大跨度）；A为焊点有效面积，一般取焊点实际面积的 2/3；h为焊点有效高度，一般取焊点高度的 1/2；c为焊点疲劳延伸指数；td为高温驻留时间；θsj为平均循环温度。

式中：∂c为封装热膨胀系数，∂s为基板热膨胀系数。

式中：θCmax为封装工作最高稳态温度；θCmin为封装工作最低稳态温度。

式中：θSmax为基板工作最高问题稳态温度，θSmin为基板工作最低稳态温度

1.1 SMT-PGA引线抗弯刚度计算模型

Sharon X.Ling 和Abhijit Dasgupta于 1993年基于能量原理，提出了PGA封装多个引线刚度求解方法[15]；考虑到工程实际使用时只关注引线最大刚度，通过对两种不同引线材料多个封装类型计算，表明最大引线刚度出现在同一个计算公式；因此为了简化引线刚度求解过程，PGA引线刚度按公式(4)计算。SMT-PGA封装模型如图1所示，SMT-PGA封装引线模型如图2所示。

式中：E为引线弹性模量；r为引线半径；L为引线长度。

图1 SMT-PGA封装模型

图2 PGA引线模型

1.2 工程因子

F是容差系数（也称为工程因子），一般情况下针对有引线型封装F为常数，且F等于 1。Perry E.Bake[9]使用FEA求解CQFP焊点循环剪切应变范围，并代入到Engelmaier模型预测封装热疲劳寿命，最后将预测结果与试验结果比对，指出Engelmaier模型中的F因子受温度循环范围的影响，不过Perry E.Bake并未说明F与温度循环的具体关系。因此在此基础上，针对SMT-PGA封装进行进一步研究。在文中的测试中，F作为唯一的变量。根据不同的温度循环测试条件，应用Egelmaier模型预计SMT-PGA热疲劳寿命，根据CALCE PWA软件评估结果调整F因子的大小。结果表明，F因子受封装最低稳态温度的影响。

2 温度循环测试

SMT-PGA封装模型的封装长度为27.4 mm，封装宽度为27.4 mm，最大引线跨度（长度方向）为25.4 mm，焊点面积为0.85 mm，焊点高度为0.95 mm2，封装热膨胀系数为6.2×10–6/℃，PCB热膨胀系数为17.4×10–6/℃，引线弹性模量为138 000 MPa，引线长度为1.27 mm，引线直径为0.46 mm，封装焊点材料为62Sn36Pb2Ag。在CALCE PWA中共进行了7组温度循环测试。温度循环剖面见表 1。由于低温驻留时间和温升时间对Engelmaier模型的预计结果无影响，因此低温驻留时间控制为110 min，温升时间为10 min。

表1 温度循环剖面

2.1 测试结果分析

将上述信息代入到Engelmaier模型中求解，并在CALCE PWA中建立相应模型计算，相应结果见表2。在表2中给出了PGA封装在不同温循剖面下的工作最低稳态温度TCmin，表中F的值表示：当F取该值时Engelmaier模型的寿命预计结果与PWA结果吻合。

表2 模型和PWA计算结果以及F因子

从表3中可知，控制其他量不变的情况下，随着PGA封装工作最低稳态温度的降低，工程因子F的值也随之降低。这表明F受封装工作最低稳态温度的影响，为了更好地反应它们的关系，运用 SPPS19.0进行回归分析，如图3所示。

图3 工程因子与封装工作最低稳态温度关系

回归分析表明，封装工作最低稳态温度与校正因子成3次方关系，拟合度R2=1。回归模型为：

F=1.583+2.039e-2θc+2.243e-4θc2+1.329e-6θc3

3 结语

运用Engelmaier模型预计SMT-PGA封装焊点的热疲劳寿命。通过与美国马里兰大学CALCE中心的CALCE PWA软件仿真分析结果比对，发现模型中的工程因子F并不是一个固定常数1，而是受封装最低稳态温度的影响，且回归分析表明工程因子与其成三次方的比例关系。

需要注意的是上述回归模型只是为了说明工程因子F与SMT-PGA封装最低稳态温度的关系，如果封装参数信息和温循剖面与表1，表2存在较大差异时上述模型求解的F并不具备一般适用性。因此在实际的工程应用中，可以通过对以往数据分析统计，建立SMT-PGA封装校正因子的模型，再运用Egelmaier模型进行寿命评估，这样可以提高模型的寿命预测结果。

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Thermal Fatigue Life Predication Model of Solder Joints for SMT-PGA Package

XIA Li-jiao1,LI Xiao-yan2
(1.China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191, China; 2.China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100191, China)

Objective To study the thermal fatigue life prediction model of solder joints for SMT-PGA package. Methods The thermal fatigue life of SMT-BGA package solder joints was predicted based on the Engelmaier model; and then it was compared with simulation results of CALCE PWA life assessment software of University of Maryland. Results The calculated results were quite different from the simulation results of CALCE PWA software. Conclusion Engineering factorFin the Engelmaier model is not a fixed constant but affected by the minimum steady state temperature of package.

thermal fatigue; SMT-PGA package; solder joint; engineering factorF

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.006

TJ07

A

1672-9242(2017)01-0021-03

2016-08-30；

2016-10-28

夏丽娇（1980—）,女，吉林人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为环境与可靠性及电气安全等。