1-8 焊锡接合部的应力解析及可靠性评价

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 -h s ）{lx+（lz - h s ）/2}-M （lx+ lz -

h s ）]/(El)-----------（式4）

δ=Фlz -〈F （L -h s ）²/6- M （lz - h s ）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=tb h s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/2h s+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。从这些结果中求得强度评价参数，从而进行寿命预测。这种应力解析手法称作Ziming解析，解析规模可以大幅度缩小，是一种实用的方法。

不一致性、龟裂发展、冲击强度的评价方法

因焊锡形状的不一致性和内部缺陷，将造成强度方面的不一致性增大，这是焊锡接合部强度评价的特征，如没有考虑到此方面，将无法确保系统的可靠性。沿用解析对（产品）不一致性的评价，提出了决定用加速老化实验的方法来判定疲劳寿命的达成率分布情况，且已使用化。

焊锡的疲劳寿命（破坏寿命）代表龟裂发生寿命和进展寿命的综合表现，在以往发生歪斜的寿命评价方法的基础上来评价龟裂发生寿命。设计上是基于安全方面的评估，对于今年来使用微细焊锡（点）的封装器件，这种评价也将更趋向保守，但问题是还不能够评价焊锡接合部尺寸大小所造成的影响。这里开发了借助应力解析其龟裂进展

来预测的方法。解析模型如图7所示。焊锡接合部的龟裂进展和要预

测的部分，其因数分解成一样大小，施加负荷（以箭头的方向来回移动）。求出此时所发生的各因数焊锡歪斜εi，最大的歪斜用εimax表示。从焊锡的强度数据相对于εi和εimax来求出疲劳寿命N fi及N fimax。循环次数达到N fimax时，产生的εimax因素即达到了龟裂发生寿命。因素分解的足够小，如造成龟裂的寿命（评价）因素发生了变化，则剔除该因素。剩下的将是造成疲劳损伤的歪斜因素εi。因此，各种因素对应的损伤率f i由下式来计算。

f i=N fimax/N fi----------(式9)

再度进行应力解析，求出发生最大歪斜因素，然后求f i出为1时的循环次数，剔除其他因素。重复以上操作，就可以获得循环次数与龟裂进展的关系。图7显示了龟裂从发生、进展直至破裂的解析结果。

图1中的（c）项显示的是落下冲击时的焊锡的应力和歪斜，目前为止所描述的并非静态解析，而使用的是必须的动态冲击解析手法。必须使用考虑了造成歪曲的负荷速度的强度数据来进行强度评