1-8焊锡接合部的应力解析及可靠性评价.doc

焊锡接合部的应力解析及可靠性评价 日立制作所股份有限公司 北野 诚 因电子产品的装配使用焊锡，如一个地方出现接触不良就会造成系统停运，所以焊锡接合部的可靠性评价是极其重要的。本稿将以可靠性评价为目的，通过应力解析来加以概述。 焊锡接合部的破坏原因及可靠性评价 焊锡接合部主要的破坏原因由图1所示。（a）是经过反复的温度 变化造成的热疲劳破坏。因LSI封装件的线膨胀系数αp和基板的线膨胀系数αs不一样，只要温度出现⊿T的变化，将会发生相对位移δ的改变。假定焊锡和引脚的刚性远小于封装件的刚性，则δ可以由下式表示出， δ= L（αp-αs）⊿T----------（式1） 这种位置变化将向软的焊锡集中，造成过大的（焊锡处）应力发生，该过程不断重复，直至疲劳破坏。（b）是装配工程中因基板的翘曲变形引起的疲劳破坏。（c）是由跌落冲击产生的破坏，属手持电话类的移动机器出现的问题。 因此，焊锡接合部的破坏原因多种多样，通过应力解析将可以对可靠性进行预测。图2列出了一般的可靠性预测手法。产品和材料的 选定，构造设计，同时加上对使用环境的把握。以此为原型，在对可靠性评价的材料所发生的应力、翘曲等强度参数进行解析的基础上获得相应的参数。此时所必要的就是与材料强度相关的数据。把求得的（材料）参数与材料固有的强度数据进行对比，预测其可靠性水准。当预测的可靠性比目标可靠性低时，就必须改动产品设计。同样，当目标可靠性得到满足时，再开展加速（可靠性）试验进行确认，从而完成可靠性设计。 焊锡最重要可靠性是疲劳寿命。焊锡在受到反复的（应力导致的）位移时将会发生龟裂，继续发展下去导致断裂。直至断裂时的循环数（疲劳寿命）与焊锡歪斜的关系范例由图3所示。可以知道温度的影响很小。如果能求得焊锡发生歪斜的解析，就可根据图3来预测寿命。 焊锡应力的解析方法 更加简单的方法就是利用应力解析方法（式1）。与封装件和基板相比，假设焊锡的刚性非常小，那么焊锡发生断裂倾斜γ是： γ=δ/h = （αp-αs）⊿T/h---------（式2） 如果断裂歪斜与寿命相关的数据有关的话，就可以对寿命进行预测。 这里稍微变得复杂一点，利用带引脚封装器件相关的Harry公式来开发应力解析手法。解析模型由图4所示。仅温度⊿T变化时的位置变化δ由下式表示。 δ=〈（L+lx）αs-Lαp- lxαl〉⊿T--------（式3） 这里标识的s，p，l符号是指基板，封装件和引脚。导致这种变 形的引脚根部产生的负荷为F、焊锡接合部的力矩为M，引脚的倾斜角为Ф，则以下的Harry公式成立。 Ф= [F（L-hs）{lx+（lz- hs）/2}-M（lx+ lz- hs）]/(El)-----------（式4） δ=Фlz-〈F（L-hs）2/6- M（lz- hs）2/2〉/(El)------（式5） El是引脚的弯曲刚性。焊锡产生的断裂应力て与力矩M的关系表示为： M=tbhsて----------------（式6） t，b是引脚的厚度和宽度。断裂歪斜γ与Ф的关系式表示为， γ=（t/2hs+1）Ф-----------（式7） 另外，て与γ的关系，由图5相关图表所示。可以形成下面的公式。 γ=て/G+（て/F）ex（1/n）---------（式8） 在这里，G是横向弹性系数，F是塑性系数，n是倾斜硬化指数。焊锡因温度变化⊿T所产生的应力，通过该公式就可以求出歪斜（度）。 最近，已开始使用有限元方法来解析焊锡接合部的应力。所谓有限元方法，就是按因素的解析模型进行分解，将与变形相关的方程式进行离散解析的方法。对焊锡接合部的解析，必须要求详细的因素，LSI封装器件含有100多个焊锡接合部位，解析起来规模浩大，需要 下功夫。BGA（Ball Grid Array，球栅阵列）封装器件的解析手法由图6所示。对BGA封装来说，封装件与印制线路基板之间是由直径在数百um的焊锡凸点连接起来的。一方面，因焊锡的应力是分布在焊锡凸点内部，有必要将每个因素分解成10um大小，所以整体焊锡分解后的因素的数量将变得非常庞大。因此，先将因素分粗一点来解析整体构造模型，已至可以探索最大倾斜时的焊锡凸点来开展寿命评估。其次，对于上述焊锡凸点，必须要做成细致因素分解的详细解析模型来进行强度评价。凭借详细解析模型来实现整体解析为基础的位置变化，获得焊锡凸点的应力和歪斜。从这些结果中