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1 引言

一般被應(yīng)用來評(píng)估焊點(diǎn)老化效應(yīng)的測(cè)試方法都使用循環(huán)彎曲試驗(yàn)（cyclic bending test）與溫度循環(huán)試驗(yàn)（thermal cycle test）。在以往的一些文章研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)這兩種失效機(jī)構(gòu)是相似的。基于這個(gè)因素，此文章將以壽命預(yù)測(cè)的觀點(diǎn)去探討兩種試驗(yàn)方法的關(guān)系，透過疲勞壽命與應(yīng)變結(jié)果去研究其關(guān)聯(lián)性，并針對(duì)試驗(yàn)后所產(chǎn)生的失效模式觀察彼此是否相符合。

文章將使用0.5 mm 間距（pitch）TFBGA封裝元器件去研究其焊點(diǎn)疲勞期間的應(yīng)變變異效應(yīng)，使用表面焊點(diǎn)的疲勞壽命作為研究的重點(diǎn)，透過電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察分析失效機(jī)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)并以聚焦離子束顯微鏡（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）對(duì)金屬晶格進(jìn)行分析。

循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)在不同條件下的疲勞壽命預(yù)估，將使用應(yīng)變壽命預(yù)估方法。此方法將根據(jù)Coffin-Manson方程式去預(yù)估無鉛焊點(diǎn)疲勞壽命，在這兩種測(cè)驗(yàn)方法的應(yīng)變變化大小與疲勞壽命關(guān)系曲線上研究他們的相關(guān)性。組件上板后在循環(huán)疲勞試驗(yàn)中不同條件下的行為表現(xiàn)當(dāng)作評(píng)估應(yīng)變形變與疲勞壽命的基礎(chǔ)，來求出焊點(diǎn)可靠性預(yù)估的最佳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

Coffin-Manson方程式中的應(yīng)變值計(jì)算是循環(huán)疲勞性測(cè)試剪應(yīng)變變化量。根據(jù)Coffin-Manson理論在低應(yīng)變高循環(huán)彎曲試驗(yàn)中，失效循環(huán)數(shù)2Nf與應(yīng)用在循環(huán)塑性形變?chǔ)う舙大小有關(guān)。疲勞延展性測(cè)試必須包含相對(duì)一個(gè)循環(huán)的相關(guān)應(yīng)變量， 以Δεp/2表示，相關(guān)方程式為Δεp/2= εf（2Nf）c。此研究中將建議以Coffin-Manson 規(guī)則中的潛變疲勞壽命預(yù)估模型去建立新的損壞機(jī)制函數(shù)，使用此損壞機(jī)制函數(shù)我們可以了解到在潛變疲勞測(cè)試中不同等級(jí)的壽命跟應(yīng)變變化量的關(guān)系，畫出Coffin-Manson方程式曲線。根據(jù)疲勞壽命跟應(yīng)變變化量關(guān)系曲線，去研究循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)之間的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)新的有效率的測(cè)試方法。

在實(shí)際應(yīng)用中，手持式產(chǎn)品會(huì)遇到一些環(huán)境效應(yīng)，像是溫度與機(jī)械應(yīng)力。焊點(diǎn)可靠性總是考慮產(chǎn)品可靠性的主要因子，有很多文章報(bào)告已經(jīng)完成對(duì)電子封裝板級(jí)可靠性在溫度與機(jī)械應(yīng)力下的研究。一般電子封裝板級(jí)可靠性在0～100℃溫度循環(huán)條件下驗(yàn)證時(shí)間大約需半年，為了縮短驗(yàn)證時(shí)間，表面焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)估的方法將被研究。此研究中將使用TFBGA封裝經(jīng)再流焊制程上板后的試驗(yàn)樣品。業(yè)界想發(fā)展快速又縮短時(shí)間的方法去仿真溫度循環(huán)試驗(yàn)，像是機(jī)械性推力疲勞試驗(yàn)、四點(diǎn)循環(huán)彎曲試驗(yàn)等。文中使用的是在高溫環(huán)境下四點(diǎn)循環(huán)彎曲試驗(yàn)來當(dāng)做快速的機(jī)械疲勞性驗(yàn)證方法，為了能仿真溫度循環(huán)的溫度效應(yīng)，特別設(shè)計(jì)四點(diǎn)循環(huán)彎曲試驗(yàn)在高溫環(huán)境下執(zhí)行且在印刷電路板面上位于封裝的角落地方測(cè)量應(yīng)變來測(cè)量高溫效應(yīng)狀況。

在此研究中將對(duì)0.5mm間距無鉛TFBGA的封裝樣品，在循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)下的焊點(diǎn)疲勞壽命去探討其關(guān)聯(lián)性。循環(huán)彎曲試驗(yàn)將以應(yīng)變?yōu)闇y(cè)試條件，其條件將參考溫度循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)變量測(cè)結(jié)果為依據(jù)。有系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的實(shí)施將對(duì)上板樣品在循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)下的效應(yīng)做比較，這比較將針對(duì)不同的印刷電路板材料（有鹵與無鹵材料）在循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)的不同壽命與應(yīng)變變化量。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品制作

試驗(yàn)樣品是12 mm×12 mm 0.5mm間距的TFBGA封裝，有244顆焊球。 焊球材料是SnAg1.0Cu0.5，助焊劑應(yīng)用于無鉛焊接制程，焊膏使用SnAg3.0Cu0.5，再流焊溫度峰值在240℃～245℃。再流焊完后將使用x射線檢測(cè)缺失，像是孔洞及短路等等，所有組件將執(zhí)行電性測(cè)試偵測(cè)開路與短路。

試驗(yàn)測(cè)試板尺寸為132 mm×77 mm×1 mm標(biāo)準(zhǔn)八層板，依JESD規(guī)則去布局，每片測(cè)試板焊上一顆組件，如圖1所示， 經(jīng)由菊花鏈設(shè)計(jì)去偵測(cè)焊點(diǎn)阻值。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

循環(huán)彎曲實(shí)驗(yàn)計(jì)劃如表1所示，而溫度循環(huán)試驗(yàn)則如表2所示。循環(huán)彎曲試驗(yàn)在高溫環(huán)境下主要是仿真溫度循環(huán)試驗(yàn)的高溫效應(yīng)，循環(huán)彎曲試驗(yàn)測(cè)試條件是依據(jù)在溫度循環(huán)試驗(yàn)下的應(yīng)變量測(cè)值而定。應(yīng)變量測(cè)位置在封裝角落的焊點(diǎn)如圖2所示，BGA封裝在循環(huán)彎曲試驗(yàn)中，角落焊點(diǎn)較邊緣中心焊點(diǎn)失效快。從有效元分析顯示，主要是封裝角落位置所受形變較大，設(shè)計(jì)循環(huán)彎曲試驗(yàn)應(yīng)變量測(cè)位置即根據(jù)發(fā)生最大應(yīng)變變化量的焊點(diǎn)，如圖3所示。

表 1 循環(huán)彎曲試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

單軸應(yīng)變片粘貼于印刷電路板上， 試驗(yàn)計(jì)劃中的試驗(yàn)執(zhí)行直到焊點(diǎn)失效為止，后記錄其失效循環(huán)數(shù)。

循環(huán)彎曲試驗(yàn)設(shè)置如圖4所示，測(cè)驗(yàn)參數(shù)見表1。表1中一些參數(shù)是參考JESD標(biāo)準(zhǔn)用應(yīng)變變化量代替循環(huán)彎曲試驗(yàn)位移條件，而起始下壓行程則依溫度循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)變量測(cè)結(jié)果而定，其他應(yīng)變變化量為預(yù)估曲線而設(shè)計(jì)。

2.3 根據(jù)Coffin-Manson方程式預(yù)估壽命

關(guān)于機(jī)械疲勞，Darveaux和Syed發(fā)現(xiàn)總應(yīng)變能量密度對(duì)焊點(diǎn)損害是一個(gè)很好的參考依據(jù)，且與Coffin-Manson方程式（如式1）有很好的失效關(guān)系。

式1中Nf表示樣本的特征壽命，C及γ是材料特性常數(shù)，Δε是彎曲試驗(yàn)的應(yīng)變變化量。

使用應(yīng)變控制的彎曲試驗(yàn)，在測(cè)試過程中的應(yīng)變變化量是一個(gè)常數(shù)，所以可以將量測(cè)數(shù)據(jù)放入Coffin-Manson方程式中然后去預(yù)估樣品壽命。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 壽命結(jié)果與分析

溫度循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)變量測(cè)結(jié)果如圖5所示。應(yīng)變變化量計(jì)算方式是高溫的平均應(yīng)變值減低溫的平均應(yīng)變值，從結(jié)果可發(fā)現(xiàn)無鹵印刷電路板應(yīng)變變化量大于有鹵印刷電路板 。

在高溫環(huán)境循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)的韋伯分布曲線下，當(dāng)樣本累積失效達(dá)63.2%時(shí)為其特征壽命。溫度循環(huán)試驗(yàn)特征壽命結(jié)果如圖6所示（無鹵是2152循環(huán)，有鹵是2127循環(huán)），而循環(huán)彎曲試驗(yàn)特征壽命結(jié)果則顯示于表3，從圖7的壽命結(jié)果可以看出在相同應(yīng)變變化量下無鹵印刷電路板在循環(huán)彎曲試驗(yàn)中的壽命約三倍于溫度循環(huán)試驗(yàn) 。

根據(jù)壽命結(jié)果，由Coffin-Manson方程式可求出循環(huán)彎曲試驗(yàn)壽命預(yù)估模型，結(jié)果如下：

（1）無鹵印刷電路板在高溫125℃下循環(huán)彎曲試驗(yàn)壽命預(yù)估模型為Nf（63.2% Pr.）=1×1015（Δε）-3.7324；

圖6 溫度循環(huán)試驗(yàn)特征壽命結(jié)果

表3 不同應(yīng)變條件循環(huán)彎曲試驗(yàn)特征壽命結(jié)果

圖7 無鹵印刷電路板在兩種試驗(yàn)中的壽命比較

從循環(huán)彎曲試驗(yàn)壽命預(yù)估模型可求出仿真溫度循環(huán)試驗(yàn)的循環(huán)彎曲試驗(yàn)應(yīng)變條件，無鹵印刷電路板條件大約為1310με而有鹵印刷電路板為1496με，所以針對(duì)TFBGA封裝型態(tài)搭配SnAg1.0Cu0.5焊球，無鹵印刷電路板循環(huán)彎曲試驗(yàn)條件可設(shè)定為1300±50με，有鹵印刷電路板則為1500±50με，去模擬條件為-40℃～125℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)。

圖8 循環(huán)彎曲試驗(yàn)的壽命與應(yīng)變變化量關(guān)系曲線

3.2 印刷電路板硬度評(píng)估

印刷電路板硬度影響印刷電路板應(yīng)變變化量及板級(jí)彎曲試驗(yàn)的壽命，參點(diǎn)彎曲試驗(yàn)提供驗(yàn)證在彎曲效應(yīng)下彈性模量值以Ef（彎曲模量）所示。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)主要好處是對(duì)樣品的制備與測(cè)試變的容易得多。然而此測(cè)試方法也有不利之處，測(cè)試方法的結(jié)果對(duì)樣品與載荷幾何形狀及應(yīng)變率很靈敏。Ef（彎曲模量）計(jì)算式如下：

公式各參數(shù)如下：

Ef= 彈性彎曲模量/MPa；

L= 支撐跨距/mm；

b= 測(cè)試棒寬度/mm；

d= 測(cè)試棒深度/mm；

D =測(cè)試棒中心最大載荷撓度/mm；

m=載荷撓度曲線初始直線梯度(如斜率，P/D)/N·mm-1。

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中設(shè)計(jì)測(cè)試棒中心最大載荷撓度為4mm，無鹵與有鹵印刷電路板的彎曲模量結(jié)果如表4與圖9所示。

表4 不同印刷電路板的彎曲模量結(jié)果

從結(jié)果可得無鹵印刷電路板較有鹵印刷電路板更硬，所以無鹵印刷電路板循環(huán)彎曲試驗(yàn)壽命較有鹵印刷電路板短。

3.3 紅墨水分析結(jié)果

紅墨水分析方法是用來觀察失效位置的，在此研究中只發(fā)現(xiàn)一個(gè)失效位置，就在元件端發(fā)生斷裂處，如圖10所示。在圖11中，不同應(yīng)變條件的循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)失效位置分布統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其失效也是在元件端位置。

3.4 光學(xué)與電子顯微鏡觀察分析

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)的失效是靠近元件端焊球斷裂，在此研究中IMC層厚度并無明顯增加，結(jié)構(gòu)如圖12。比較循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)的失效模式，在相同的應(yīng)變變化量下發(fā)現(xiàn)它們是相似的，如圖13所示。在圖14的電子顯微鏡觀察分析中，在模擬與溫度循環(huán)試驗(yàn)近似的循環(huán)彎曲試驗(yàn)的測(cè)試條件做比較，發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)試方法的失效模式也是相似（元件端焊球斷裂）。

4 結(jié)論

（1）無鹵印刷電路板與有鹵印刷電路板搭配SnAg1.0Cu0.5的TFBGA封裝在-40℃～125℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)下的壽命相似；

（2）在高溫125℃下循環(huán)彎曲試驗(yàn)壽命預(yù)估模型，無鹵印刷電路板為Nf（63.2% Pr.）=1×1015（Δ ε）-3.7324，有鹵印刷電路板為Nf（63.2% Pr.）=2×1025（Δε）-6.8886。

（3）印刷電路板硬度是影響循環(huán)彎曲試驗(yàn)壽命的因子；

（4）從循環(huán)彎曲試驗(yàn)壽命預(yù)估模型，可針對(duì)TFBGA封裝型態(tài)搭配SnAg1.0Cu0.5錫球，無鹵印刷電路板循環(huán)彎曲試驗(yàn)條件可設(shè)定為1300±50 με，有鹵印刷電路板則為1500±50με，去模擬條件為-40℃～125℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)；

（5）循環(huán)彎曲試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)的失效模式是相似的。

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