PCB焊点热循环失效分析和改进设计

∗ 苏佩琳， 李 涛， 彭雄奇

摘要

        本文针对PCB（印制电路板）焊点在高低温热循环下的失效问题，提出了一种在芯片边角下加锡块的改进设计方案。通过实验测得FR-4的弹性模量和热膨胀系数，运用有限元方法模拟PCB在高低温循环下的应力应变，并用修正的Coffin-Manson经验方程计算焊点的热循环寿命。结果表明，改进设计显著降低了焊点的最大等效塑性应变，提高了热疲劳寿命。

关键词：PCB；热循环；有限元模拟；疲劳寿命

引言

        印制电路板（PCB）是重要的电子部件，其在高低温循环中交替膨胀和收缩，由于芯片、焊点和基板材料热膨胀系数的不匹配，内部会产生热应力和应变，长期作用下导致焊点因疲劳而失效。传统结构的PCB焊点寿命不足500次循环，本文提出改进设计，通过在芯片边角下加锡块，限制焊锡与上下板之间的变形不协调，以提高焊点寿命。

1 热循环冲击试验

        PCB高低温循环热冲击试验采用的加载曲线如图1所示，温度范围为-40℃到125℃，升降温速率为20℃/min，保温时间为30分钟。PCB在循环中产生热应力和应变，导致焊点疲劳破坏，常见的焊点失效形式如图2所示。

图1 热循环加载曲线

图2 PCB焊点破坏形式

2 材料参数测定

        热应力仿真需要确定PCB各种材料的热力学参数，包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。部分参数由厂商提供，而FR-4的弹性模量和热膨胀系数则通过实验测定。

2.1 弹性模量测定

        通过拉伸实验测定FR-4在不同温度下的弹性模量。实验选用带恒温箱的微机控制电子万能试验机，试样和仪器如图3所示，应力-应变曲线如图4所示。实验结果列于表1。

图3 拉伸实验试样及仪器

图4 应力-应变曲线

2.2 热膨胀系数测定

        用热膨胀仪测定FR-4在25~125℃下的热膨胀系数，分别测量平面方向（x/y）和厚度方向（z）。试样和仪器如图5所示，热膨胀系数变化曲线如图6所示，结果见表2。

图5 热膨胀实验试样及仪器

图6 热膨胀系数变化曲线

3 有限元模型建立

3.1 三维模型

        根据PCB实际结构，建立传统结构模型（model 1）和边角加锡块的改进模型（model 2）。两模型均由芯片、焊锡、铜层和FR-4层组成，考虑对称性，建立1/4有限元模型，如图7所示。

图7 三维模型

3.2 材料模型

芯片材料、铜和FR-4均采用线弹性模型，焊锡材料SAC305表现为粘塑性，满足Anand本构模型的以下方程：

其中， ξ 为应力乘子， εｐ 为非弹性应变率，Ａ 为指数因数，Ｑ 为激活能，Ｒ 为普适气体常数，Ｔ 为 绝对温度，ｍ 为应变率敏感指数． 变形抗阻 ｓ 的演化方程表示为：

其中， ｓ 为系数，ｎ 为变形阻抗饱和值的应变率敏感指数． 根据上述 Ａｎａｎｄ 本构方程知，一共有 ９ 个参数：ｓ０ ，Ｑ，Ａ，ξ，ｍ，ｈ０ ，ｓ，ｎ 以及 ａ， 各项数值 见表 ４．

表3列出了PCB材料的线弹性参数，表4为SAC305的Anand本构参数。

表3 线弹性材料参数

表4 焊锡SAC305粘塑性Anand参数

3.3载荷与边界条件

1. 约束底部PCB基板的竖直方向位移以限制整体移动；
2. 对称面施加对称边界条件；
3. 温度循环加载采用瞬态非线性分析。

4 计算结果与比较

4.1 温度场

PCB表面与内部最大温差可达6~8℃，如图8所示。

图8 PCB温度分布

4.2 应力应变

焊点von Mises应力云图如图9，最大应力集中在边角焊点根部。模型1的等效应力稍大于模型2，如图10所示；模型1的塑性剪切应变范围也大于模型2，如图11所示。

图9 von Mises应力云图

图10 等效应力变化曲线

图11 塑性剪切应变变化曲线

4.3 疲劳寿命预测

根据修正的Coffin-Manson方程，可评估焊点的热疲劳寿命：

式中， Ｎｆ 为焊点的热疲劳寿命，Δγｐ 为每个热疲劳周期中焊点内累积的最大塑性剪切应变范 围，εｆ 为疲劳韧性系数，这里取 ０.3２５；ｃ 为疲劳韧性指数，与热循环的温度和频率有关，如式 （２）所示：

计算结果见表5。

表5 两模型疲劳寿命预测情况

5 结论

1. PCB内部温差加剧了变形不协调。

2. 边角焊点根部为应力集中区域。

3. 改进模型中，corner pad有效减小了焊点处的应力和应变。

4. 改进模型的疲劳寿命大幅提高，达到了质量标准。