西安航空計算技術(shù)研究所 王志強 左清清 童 濤

因元器件封裝與印制板熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致元器件脫焊的故障是一種計算機板卡上常見故障。本文以XPC755芯片脫焊故障為例介紹了一種工藝改進(jìn)方案，并進(jìn)行了仿真驗證及試驗驗證，結(jié)果表明，該工藝改進(jìn)方案對焊點壽命有很大提高，為其他因熱應(yīng)力導(dǎo)致的故障提供了一種解決思路。

1 XPC755脫焊故障原因

某數(shù)據(jù)處理計算機模塊（以下簡稱：DPC模塊）在交付用戶使用4年后，連續(xù)發(fā)生多起XPC755脫焊故障。脫焊引腳多為XPC755的B1引腳位置。設(shè)計人員經(jīng)過大量分析驗證后認(rèn)為，XPC755芯片脫焊故障原因為芯片焊接采用了低鉛焊球焊接工藝，降低了焊球的高度，使得芯片的陶瓷基板與PCB之間的焊球在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的剪切力增加，經(jīng)過長時間的環(huán)境應(yīng)力，使得焊點疲勞開裂。

2 工程仿真模擬

2.1 環(huán)境條件

溫循條件采用DPC模塊的任務(wù)環(huán)境條件需滿足飛機的壽命指標(biāo)30年或5000飛行小時。

2.2 計算理論

目前焊點熱應(yīng)力疲勞壽命預(yù)測理論主要基于非彈性應(yīng)變損傷理論，IPC-D-279《Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies》采用Engelmaier-Wild修正公式預(yù)測焊點熱疲勞壽命。公式如下：

式中，c為經(jīng)過溫度和頻率修正的疲勞延性指數(shù)。

其中Tm為循環(huán)平均溫度，f為每天循環(huán)次數(shù)；△γp為塑性剪切應(yīng)變范圍；ε’f為疲勞延性系數(shù)，對于焊點廣泛采用的SnPb共晶焊料，ε’f= 0.325。

通過有限元分析計算焊點的最大剪切塑性應(yīng)變范圍△γp，帶入上面公式即可算出焊點的最小耐溫循周期。

2.3 計算結(jié)果

給器件模型施加任務(wù)溫循條件，仿真計算焊點剪切塑性應(yīng)變，最大剪切塑性應(yīng)變范圍△γp為0.031，計算故障器件的耐溫循次數(shù)為140循環(huán)，由于任務(wù)溫循條件為8飛行小時/循環(huán)，則故障器件壽命為140×8=1120飛行小時。不滿足5000飛行小時的壽命要求，該仿真結(jié)果與故障模塊現(xiàn)象相符。

3 工藝改進(jìn)方案

3.1 工藝改進(jìn)依據(jù)

國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)IPC-7095C-2013《BGA設(shè)計及組裝工藝實施》提出可以通過點膠方式提高產(chǎn)品可靠性，針對XPC755的特性，采用點膠加固方式，降低器件和印制板的熱失配，提升焊點的熱疲勞壽命。

3.2 膠粘劑選型原則

膠粘劑的模量越大越好，至少應(yīng)大于1GPa，膠粘劑的模量越大，其材料在外力作用下抗彈性變形的能力越大，選擇膠粘劑的模量越大其對產(chǎn)品可靠性提升越大，因此，不建議使用硅橡膠類膠粘劑進(jìn)行加固。

點膠所使用材料應(yīng)與焊點的熱膨脹系數(shù)（CTE）接近，在熱循環(huán)過程中，在器件與印制板之間使用膠粘劑進(jìn)行加固，可以減少器件與PCB板因熱膨脹系數(shù)不匹配而引起相對位移及相應(yīng)應(yīng)力，從而分擔(dān)PCB板與器件焊點間因溫度變化而產(chǎn)生的剪切力，進(jìn)而提高了焊點壽命。如果使用膠粘劑的熱膨脹系數(shù)（CTE）與焊點的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，會導(dǎo)致在溫度沖擊過程中膠粘劑熱脹冷縮對焊點產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，因此，點膠所使用材料應(yīng)與焊點的熱膨脹系數(shù)（CTE）接近。

Tg溫度應(yīng)大于產(chǎn)品所使用溫度，當(dāng)使用環(huán)境超過膠粘劑的玻璃化溫度，膠粘劑的各方面性能均會發(fā)生變更，因此，選用膠粘劑的Tg溫度應(yīng)大于產(chǎn)品的使用溫度。

3.3 工藝改進(jìn)方案

根據(jù)膠粘劑選型原則，針對DPC模塊XPC755的特性，進(jìn)行膠選擇并參考‘L’型點膠方式，制定DPC模塊XPC755的點膠標(biāo)準(zhǔn)和方案，見圖1所示，并進(jìn)行了試驗驗證。

圖1 XPC755器件點膠要求示意圖

4 工藝改進(jìn)驗證

4.1 仿真驗證

對點膠后的芯片施加任務(wù)溫度環(huán)境條件進(jìn)行仿真分析，對比不點膠和點膠焊點熱疲勞壽命仿真結(jié)果如表1所示。

表1 焊點熱疲勞壽命對比

從上面仿真分析結(jié)論可看出：器件點膠或更換高鉛焊球能夠滿足5000飛行小時的壽命指標(biāo)，并且高鉛焊球效果好于點膠效果。

4.2 試驗驗證

產(chǎn)品根據(jù)《高可靠性表貼和混裝焊接工藝》（ECSS-QST-70-38C）溫循環(huán)境條件進(jìn)行加速試驗驗證。試驗條件為：-55℃-100℃，保持時間為15min，每一循環(huán)持續(xù)時間61min。

試驗結(jié)果為：不點膠模塊在76循環(huán)開始出現(xiàn)脫焊故障，點膠模塊在323循環(huán)時出現(xiàn)脫焊故障。

通過仿真計算在加速試溫循驗條件下不點膠器件焊點壽命為75個循環(huán)，點膠為340個循環(huán)。說明仿真與實驗值基本吻合。

參考GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》和Q/AVIC 05051-2018《機載產(chǎn)品加速壽命試驗》，通過高應(yīng)力加速試驗可以快速給出產(chǎn)品壽命水平，評估產(chǎn)品是否符合產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的壽命指標(biāo)要求。

標(biāo)準(zhǔn)中加速因子定義為：在相同的累積損傷下，利用損傷模型和線性累積損傷理論，不同載荷譜對應(yīng)的時間之比，記為Af，其計算公式為：

式中：Af為加速因子；lDC和lDJ分別為常規(guī)載荷譜和加速載荷譜下累積損傷達(dá)到D時的時間值。

通過仿真計算在加速試驗條件下的故障器件不點膠情況下，焊點壽命為75個循環(huán)， 以此乘以一個試驗周期的時間61min，得到加速試驗條件下的焊點累積損傷時間為lDJ=76h。前面計算的常規(guī)載荷譜（任務(wù)溫循條件）下的焊點累積損傷時間為lDC=1120h，計算加速因子Af=lDC /lDJ

=1120/76=14.7。

因此，器件點膠后的加速試驗焊點累積損傷時間lDJ=340×61/60=346h，其等效的任務(wù)溫循條件焊點累積損傷時間（使用壽命）lDC=lDJ *Af=346×14.7=5086h，理論上滿足5000飛行小時的壽命要求。

結(jié)束語：XPC755芯片脫焊故障在執(zhí)行工藝改進(jìn)后，再未發(fā)生。通過對XPC755脫焊故障研究， 證明了點膠加固是解決芯片的陶瓷基板與PCB之間的焊球在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的剪切力的一種方法。為其他因熱應(yīng)力導(dǎo)致的故障提供了一種解決思路。