路 韜，黃友朋，黨三磊，張 捷，韓立帥

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司計量中心,廣東 廣州 510062；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 510610)

隨著智能電表的廣泛應(yīng)用,小型化印制電路板組件(PCBA)的需求日益增大,希望同時保證組件小尺寸、更好的機(jī)械強(qiáng)度、制造效率和PCBA 可靠性,因此必須在PCBA 設(shè)計階段便考慮可制造性[1-4]及制造可靠性。對于印制電路板組件(PCBA)的可制造性設(shè)計來講,表面貼裝焊盤設(shè)計是其中一個重要而又容易被忽視的方面,其設(shè)計水平直接影響PCBA 組裝質(zhì)量[5-6]。

目前表面貼裝焊盤設(shè)計的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)很多,其中IPC-7351B 是IPC(國際電子工業(yè)協(xié)會)制定的表面貼裝設(shè)計和焊盤圖形標(biāo)準(zhǔn)通用要求,是國際通用的設(shè)計規(guī)范之一。該標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了產(chǎn)品組裝密度、應(yīng)用環(huán)境和返修等因素。在IPC-7351B 標(biāo)準(zhǔn)中,按照焊盤伸出引腳長度將PCB 焊盤劃分為A、B和C 3 個密度等級,其中密度等級A 為最大焊盤伸出,適用于低元器件密度應(yīng)用,典型的應(yīng)用例子如暴露在高沖擊或震動環(huán)境中的PCBA 產(chǎn)品。焊接結(jié)構(gòu)是最堅固的,并且在需要的情況下很容易進(jìn)行返修,人工焊接和機(jī)器焊接都易于操作,且留有較大的制造裕量。密度等級B 為中等焊盤伸出,適用于中等元件密度的產(chǎn)品,提供堅固的焊接結(jié)構(gòu)。人工焊接和機(jī)器焊接也都可以操作。密度等級C 為最小焊盤伸出,適用于希望具有最小焊接結(jié)構(gòu)要求的微型產(chǎn)品,可實現(xiàn)最高的元件組裝密度,適用于機(jī)器焊接,人工焊接較難。3 個密度等級示意圖見圖1。

圖1 PCB 焊盤尺寸設(shè)計的3 種密度等級

此外,從印制電路板組件的智能制造角度出發(fā),希望所設(shè)計的焊盤尺寸便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、自動化監(jiān)測等,因此傾向于IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)密度等級A 焊盤尺寸。但是,采用IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)密度等級A 來開展表面貼裝焊盤尺寸設(shè)計后,其焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度到底如何,目前公開發(fā)表的相關(guān)研究文獻(xiàn)不多。因此,針對智能電表中常用的1210 表面貼裝電容,本文設(shè)計了2 種焊盤設(shè)計尺寸(其中一種為IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)推薦的密度等級A 的焊盤尺寸),對其焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行對比驗證,希望為表面貼裝焊盤設(shè)計提供技術(shù)參考。

同時采用有限元仿真分析方法對2 種焊盤所形成的焊點熱疲勞壽命進(jìn)行有限元對比計算,以便從焊盤設(shè)計角度為智能電表的焊點可靠性設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 實驗與仿真計算

研究所選實驗樣品為1210 表面貼裝電容,尺寸信息見表1。

表1 CT41G 1210 電容的尺寸信息

根據(jù)IPC7351B 標(biāo)準(zhǔn),焊盤尺寸標(biāo)識示意圖見圖2,所做的PCB 焊盤尺寸見表2。

表2 1210 表面貼裝焊盤的焊盤尺寸設(shè)計

圖2 IPC 7351 B 標(biāo)準(zhǔn)的Chip 類型表面貼裝焊盤尺寸標(biāo)識方法

依據(jù)表2 的焊盤尺寸來分別制作1210 電容的PCB 側(cè)焊盤,采用同樣的組裝工藝共制備了6 塊PCBA 組件,見表3,組裝后1210 電容的典型外觀照片見圖3。

表3 1210 焊盤電容組件制備信息

圖3 1210 電容組裝后的典型外觀照片

1.1 推力實驗

采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)E43.104(設(shè)備允許誤差中示值誤差±2%,重復(fù)性2%),參照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3198-7:2003,以10 mm/min 的速度對組裝后1210 電容結(jié)果開展剪切強(qiáng)度實驗。實驗過程示例見圖4,剪切強(qiáng)度實驗后斷裂模式說明見表4,典型剪切強(qiáng)度測試曲線見圖7(a)。

圖4 剪切強(qiáng)度測試示例圖

表4 剪切強(qiáng)度實驗后斷裂模式說明

1.2 焊點熱疲勞壽命有限元仿真分析

目前,國內(nèi)外對于焊點疲勞模型和壽命預(yù)測方法都進(jìn)行了大量研究,已提出的焊點疲勞壽命預(yù)測模型主要有基于應(yīng)力的疲勞壽命預(yù)測模型、基于非彈性應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測模型、基于蠕變應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測模型、基于能量的疲勞壽命預(yù)測模型、基于損傷的疲勞壽命預(yù)測模型和基于斷裂力學(xué)基礎(chǔ)的疲勞壽命預(yù)測模型等[7-9]。其中,基于塑性應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測模型和基于能量的疲勞壽命預(yù)測模型最為常見,采用基于塑性應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測模型來進(jìn)行焊點熱疲勞壽命計算。

(1)建模與網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks 針對2 組不同焊盤設(shè)計尺寸建立對應(yīng)的PCBA 三維結(jié)構(gòu)模型,應(yīng)用Workbench 軟件進(jìn)行有限元仿真分析,有限元模型如圖5 所示。模型中PCB 尺寸為10 mm×10 mm×2 mm,焊盤尺寸與表2 中尺寸一致,電容封裝尺寸為1210 表貼電容,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為10 mm×10 mm×2 mm。模型在網(wǎng)格劃分時網(wǎng)格單元均為六面體,并對焊盤、焊點和陶瓷體進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化以得到更精確的有限仿真分析結(jié)果。

圖5 1210 表貼電容PCBA 組件有限元模型

(2)載荷

采用熱-力間接耦合方式對PCBA 組件經(jīng)歷的熱循環(huán)載荷進(jìn)行模擬,然后再以溫度場分布作為預(yù)應(yīng)力載荷,計算由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。熱循環(huán)載荷采用溫度范圍-5 ℃～100 ℃,高低溫保溫時間10 min,溫變速率15 ℃/min,循環(huán)周期為34 min。由于計算資源限制了對所有循環(huán)進(jìn)行模擬,一般認(rèn)為幾個循環(huán)后焊點的粘塑性流動達(dá)到穩(wěn)定,即應(yīng)力和應(yīng)變的增加量達(dá)到穩(wěn)定,就可以準(zhǔn)確表述焊點的應(yīng)力和應(yīng)變變化,通過模擬計算可得5 個循環(huán)后等效應(yīng)力增量趨于穩(wěn)定,因此設(shè)定載荷循環(huán)數(shù)為5 個循環(huán),有限元模擬加載曲線如圖6 所示。

圖6 熱循環(huán)載荷曲線圖

(3)材料參數(shù)

作為有限元模擬的重要輸入量,材料性質(zhì)的準(zhǔn)確描述將會直接影響到仿真結(jié)果的精度。

對于釬料合金來說,其室溫下的約比溫度(T/Tm)就高達(dá)0.6 以上,因此釬料合金是一種典型的率相關(guān)材料,采用Anand 本構(gòu)模型描述釬料的粘塑性,Anand 本構(gòu)模型參數(shù)見表5。

表5 焊點材料ANAND 模型參數(shù)

模型中除了焊料外均采用線彈性關(guān)系描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,有限元分析中采用的材料線性參數(shù)見表6,其中材料參數(shù)和有限元模擬選取的參考溫度均為25 ℃。

表6 模型材料參數(shù)

2 結(jié)果及討論

2.1 推力實驗結(jié)果

剪切強(qiáng)度實驗后的典型結(jié)果見圖7。由剪切強(qiáng)度測試曲線可以獲得最大推力值(圖7(a)中曲線峰值位置),由實驗后外觀檢查則可以確認(rèn)剪切強(qiáng)度實驗斷裂模式。

圖7 1＃C58 的剪切強(qiáng)度曲線及測試后外觀觀察照片

1210 電容的剪切強(qiáng)度測試結(jié)果見表7,可以看出,所有樣品的斷裂模式都是Type1,即元器件損傷；說明在本測試條件下,對于1210 電容焊接結(jié)構(gòu)來講,無論是IPC7351 密度等級A 焊盤還是對比尺寸焊盤所形成的焊接結(jié)合強(qiáng)度都不是其焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)薄弱位置。

表7 1210 焊盤電容的剪切強(qiáng)度測試結(jié)果

采用Minitab 軟件分別對表7 數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)檢驗分析,數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表8 和圖8。在顯著性水平0.05 時,可以判定IPC7351 密度等級A 焊盤的1210 電容推力Fmax的均值大于對比尺寸焊盤的1210 電容推力Fmax的均值。

圖8 不同尺寸焊盤電容結(jié)構(gòu)最大推力值數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

表8 1210 電容的推力數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.2 焊點熱疲勞壽命有限元仿真分析

由于PCBA 熱疲勞失效主要出現(xiàn)在焊點處,因此更著重關(guān)注焊點與焊盤中應(yīng)力應(yīng)變分布情況。

7351 焊盤焊點中彈性應(yīng)變與其塑性應(yīng)變相比小很多,如圖9 和圖10 所示,高溫保溫結(jié)束時焊點中最大塑性應(yīng)變(0.016 80)為其最大彈性應(yīng)變(0.002 85)的5.89 倍。

圖9 7351 焊點等效塑性應(yīng)變圖

圖10 7351 焊點等效彈性應(yīng)變圖

圖11 為焊點中塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變隨時間的變化情況,也可以看出塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變。由于塑性變形是不可恢復(fù)的,因此其對失效的貢獻(xiàn)程度更大。

圖11 7351 焊盤的焊點中塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變隨時間變化趨勢

采用同樣方法提取采用對比焊盤尺寸模型中焊點部分等效塑性應(yīng)變和等效彈性應(yīng)變,分布情況如圖12 和圖13 所示,高溫保溫結(jié)束時焊點中最大塑性應(yīng)變(0.0104)為其最大彈性應(yīng)變(0.0023)的4.52 倍。

圖12 對比尺寸模型焊點等效塑性應(yīng)變圖

圖13 對比尺寸模型焊點等效彈性應(yīng)變圖

圖14 為焊點中塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變隨時間的變化情況,也可以看出塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變。

圖14 對比尺寸焊點中塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變隨時間變化趨勢

(2)焊點熱疲勞壽命預(yù)測

提取焊點上危險位置的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,繪制出應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線,曲線呈逐漸收斂的滯回環(huán)形狀,其包圍的面積為塑性應(yīng)變能。在曲線上選取相對穩(wěn)定的滯回環(huán),即可獲得在一個溫度循環(huán)過程中該處的累積塑性應(yīng)變。

通常認(rèn)為熱應(yīng)力是在熱循環(huán)過程中焊點內(nèi)部裂紋萌生和發(fā)展的動力[10],但是塑性應(yīng)變則是焊點累積損傷度的宏觀表現(xiàn)[11],因此一個器件的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變焊點均為其危險焊點。

低周熱循環(huán)疲勞失效模式下,焊點的熱循環(huán)壽命與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通常可用修正的Coffin-Manson模型來描述[12]:

式中:Δγ為等效塑性應(yīng)變幅,其值等于焊點在一個循環(huán)周期內(nèi)累積的塑性應(yīng)變量的3倍；εf為疲勞延性系數(shù)；應(yīng)變敏感指數(shù)c與熱循環(huán)條件有關(guān)[13]。

式中:Ta為熱循環(huán)平均溫度,f為熱循環(huán)頻率42.4,2εf、C0、C1、C2是和釬料有關(guān)的系數(shù)。對于Sn63Pb37,其值分別為0.615、0.442、6×104、1.74×102；基于仿真中所加載的溫度參數(shù),計算得到c值:

修正的Coffin-Manson 模型中,焊點的壽命與一個循環(huán)內(nèi)累積的塑性應(yīng)變量呈負(fù)相關(guān)。對于最大應(yīng)力和最大應(yīng)變焊點不為同一個焊點時,滯回曲線應(yīng)為二者中一個循環(huán)內(nèi)累積塑性應(yīng)變量較大者。

圖15 和圖16 為IPC 7351 和對比焊盤焊點的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線?？梢园l(fā)現(xiàn),曲線向左回復(fù)并逐漸穩(wěn)定,在第4 個熱循環(huán)后,滯回環(huán)基本穩(wěn)定,因此選擇第5 個熱循環(huán)過程中焊點累積的塑性應(yīng)變,作為焊點在一個循環(huán)周期內(nèi)累積的平均塑性應(yīng)變。

圖15 IPC7351 推薦尺寸焊點應(yīng)力應(yīng)變回滯曲線

圖16 對比尺寸焊點應(yīng)力應(yīng)變回滯曲線

根據(jù)式(1)計算得到兩類焊點的壽命見表9。

表9 2 種模型焊點熱疲勞壽命

3 結(jié)束語

(1)在當(dāng)前剪切強(qiáng)度測試條件下,在顯著性水平為0.05 時,可以判定IPC 7351 密度等級A 焊盤的1210 電容焊接結(jié)構(gòu)推力Fmax的均值皆大于對比尺寸焊盤的1210 電容推力Fmax的均值,即采用IPC 7351 密度等級A 焊盤可以獲得更高的1210 電容焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)基于修正的Coffin-Manson 模型兩種焊盤尺寸模型焊點熱疲勞壽命結(jié)果,發(fā)現(xiàn)IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)推薦焊盤尺寸壽命為52 123 個循環(huán)、對比焊盤尺寸的壽命為55 538 個循環(huán),兩類焊點熱疲勞壽命值均較高(大于104個溫度循環(huán))。

(3)為保障產(chǎn)品具備更適用的機(jī)械強(qiáng)度/熱疲勞可靠性,應(yīng)該充分了解產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境剖面和可靠性指標(biāo),在產(chǎn)品設(shè)計之初便開展焊盤設(shè)計和焊點可靠性分析與鑒定。