疲劳寿命试验法和评价法

疲劳寿命试验法和评价法
4.4 疲劳寿命试验法和评价法
（l ）热循环加速试验和疲劳寿命评价方法
作为接合部热循环疲劳强度评价的试验方法，最好使用热循环加速试验，为验证上述采用应力解析方法说明非线性应变振幅和热循环疲劳试验对接合部疲劳寿命的关系，利用非线性应变振幅施行的接合部热循环疲劳试验结果由图4.9 表示。

图示说明采用几种不同的条件得到的疲劳寿命结果差不多在相同的直线上，评价应力应变首先要正确评价各试验区间（温度变化和温度保持）对蠕变的影响，同时还需考虑焊料材料的温度依存性。

在材料的时间依存性和温度依存性正确评价的基础上，利用接合部生存的非线性应变振幅，再根据Coffin-Manson 法则得到接合部的热疲劳强度，热疲劳强度评价公式见下面。

1/2(/)(4)m Nf eqin o εε-=∆∆----------
这里的Nf 表示接合部的疲劳寿命，△εeqin 是根据材料的时间依存性和温度依存性评价后得到的接合部非线性等效应变振幅。

用热循环疲劳实验可以减少表示强度特性的△εeo 、m 系数，这是试验时需注意的一点。

（2）机械性疲劳试验和疲劳寿命评价方法
在研究接合部热疲劳寿命时，常用热冲击试验机进行循环试验，但是热冲击试验机的高温、低温保持时间比较容易控制，由高温到低温或由低温到高温的温度变化时间较难控制，因焊料接合部形状的不同有时要实行不同的疲劳寿命试验，就需改变试验温度等级，原来设定的高温侧温度为125℃-150℃ ，针对使用温度20℃-80℃ 的共晶焊料（熔点183℃）这样对上面的热循环试验条件有必要重新考虑。

热循环试验存在的问题是，对接合部采用的是热疲劳寿命加速试验，很少采用作为实际
使用时的模拟试验。

另外，在实际使用场合设计的接合部疲劳寿命最少为10周期（循环），每试验一个周期最短时间为20 分钟，10的周期需要4-5 个月以上的试验时间，这种评价方法化费的代价太大。

在新产品投产期间，投资商所希望的热循环疲劳试验至多1-2 个月。

近年来，作为热循环疲劳试验的替代方式，有人提出了机械等温疲劳试验方法，即考虑到焊接材料的温度依存性，使用经应力/应变评价得到的非线性应变振幅，按统一的热循环疲劳寿命评价方式一一接合部低循环热疲劳强度评价来获得结论。

对焊料接合部施行恒定温度下的机械往返荷载，由接合部产生的往返型非线性应变的模拟，完成热疲劳强度的评价。

剪切型机械性疲劳试验方法说明的试验结果，记述了机械疲劳试验和热循环疲劳试验的相关关系，也说明了作为疲劳试验替代方式的妥善性。

机械加速试验的特征有以下几点。

（a）可以进行比热循环试验的速度（时间）宽得多的机械性试验。

（b）可以正确地控制对接合部施加的应变速度。

（c）根据已控制的应变速度，可对接合部的非线性应变成分比进行正确控制，并由各应变成分（sc、sp）调整对接合部生存的不同损伤。

（d）可在恒温下对接合部设定任意的应变范围，得到近似于大的或小的热循环试验结果。

微型结构的疲劳试验可分为负载控制试验和位移控制试验二种，负载控制试验依赖于测力传感器的测试精度，现常用1/5000 的全频式测力传感器，但由于电子器件接合部的疲劳破坏产生的封装体与基板间的线胀失配，接合部遭受的负荷与强制位移模式相似，为此，执行接合部热疲劳强度模拟试验时，也可采用位移控制方式，。

在电子元件进入小型化时代，开展接合部位移控制试验，其位移行程可设定在10 微米到数拾微米间，位移精度可控制在0.5 微米以上。

图4.10 是剪切型机械式疲劳试验机外观，试验时将夹盘固定在工作台上，由线性传动装置作左右方向的往复运动。

在位移控制场合，通过装置上的位移仪测量最大，最小位移量，这时试验片粘接在封装体上部夹头上，分别与基板下部、夹盘固定。

试验片的限幅方法是影响试验性能的主因，这里通过限幅来避开对试验片的限幅负荷，特采取了限幅装置设计，以提高试验的可靠性。

在室温20℃时施行的二种应变速度的机械疲劳试验结果由图4.11表示，接合部应变速度在0.4%/S场合，产生的是非线性应变的塑性应变万分，应变速度为0.003%/S时产生蠕变应变，两都结果的比较，往返蠕变应该显示的疲劳寿命△εsc和往返塑性应变显示的疲劳寿命△εp，其产生的差异不大。

说明可利用接合部生存的非线性等效应变幅度进行接合部疲劳寿命的评价。

图4.11的结果也表示了热循环疲劳试验的结果，说明各个应变速度的机械疲劳寿命特性是一致的，也意味着所有疲劳寿命结果可用一条近似寿命曲线来表示，就是通过前面的公式（4）来进行疲劳寿命的预测。

(3 )BGA 接合部的疲劳寿命评价
BGA 焊接接合部大多用回流工艺形成，利用常规的回流焊工艺要使各接合点形状都一致是困难的，BGA 接点（引线）的疲劳寿命与其接点形状有很大的关系，为提高BGA 的接合部疲劳寿命可考虑做成各种各样的接点形状。

图4 . 12 是三种不同BGA 接点形状，其疲劳寿命评价结果见图4 . 13 ，纵轴表示非线性等效应变振幅，是利用三维有限单元解析计算对接合转角部应变的平均值。

各种BGA 接合部疲劳寿命形状并不是曲线，而是相同的直线状，其线性倾斜接近2. 0, 因此BGA 的接合部疲劳寿命可以按下式进行评价。

2.01/2(/)(5)Nf eqin o εε-=∆∆-------------
△ εo 是系数，显示BGA 的接合部寿命特性，在不考虑 BGA 接点形状的情况下，可以用上式进行非线性应变的评价，不过要注意的是，表示疲劳寿命特性的厶80与常规贴装型 SMD 是不同的。

4.5 BGA/无铅焊料（Sn-3.5Ag-0.75Cu ）焊接的疲劳寿命评价上述评价方法是针对Sn-Pb
共晶焊料的疲劳寿命评价方法，但也适用于其他类型焊料的评价。

采用Sn-3.5Ag-0.75Cu无铅焊料接合的BGA 接合部评价结果参见图4.14。

结论与使用Sn-Pb共晶焊料评价的结果相同，同样可用Coffin Manson 法则评价其疲劳寿命。