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模拟仿真 - 半导体行业

 

热循环测试(Thermal Cycling)是衡量电子产品焊接可靠性最常见的测试。以63.2%的统计寿命来计算焊球寿命。失效发生后,失效分析手段(切片、红墨水、SEM/EDS、X-Ray等)就用来检查失效位置及失效类型。

 

测试标准

1) JEDEC Standard JESD22-A104 Thermal Cycling

2) IPC 9701 Performance Test Methods and Qualification Requirements for   Surface Mount Solder Attachments

 

有限元仿真模拟可以用来测试产品的理论寿命,通过软件计算提前预知产品的可靠性,并对失效的机理进行分析,提前规避失效风险,从而优化产品设计,提供可靠性。

 

产品及焊球 焊球开裂现象
产品及焊球Layout 焊球开裂现象

 

有限元模型 仿真测试中的温度曲线
有限元模型 仿真测试中的温度曲线

 

一个热循环后焊球的塑性应变能分布 不同等效模型的应变能密度变化
一个热循环后焊球的塑性应变能分布 不同等效模型的应变能密度变化
采用不同的计算区域来预测热循环寿命 不同寿命预测方法获取的焊球热循环寿命比较
采用不同的计算区域来预测热循环寿命 不同寿命预测方法获取的焊球热循环寿命比较

 

▽ 芯片弯曲循环测试及寿命预测

 

试验装置 传感器安装在PCB板的背面
试验装置 传感器安装在PCB板的背面
菊花链测试电阻监控焊球是否开裂(电阻上升100%) 传感器获取的弯曲频率下的PCB的应变幅值
菊花链测试电阻监控焊球是否开裂(电阻上升100%) 传感器获取的弯曲频率下的PCB的应变幅值

 

测试完成后的红墨水验证试验 仿真计算结果和红墨水试验一致
测试完成后的红墨水验证试验 仿真计算结果和红墨水试验一致

 

    传感器应变值
500ue 750ue 1000ue
弯曲循环试验测试 弯曲位移(mm) 0.9 1.26 1.74
平均寿命(次) 100k+ 26412 10064
数值仿真测试 等效应变(体积平均) 5.16E-5 4.39E-4 1.28E-3
弯曲位移 0.918 1.400 1.904
计算寿命 177284 29389 11924

 

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▽ 芯片加速度冲击仿真测试

 

半正弦波冲击测试 方波冲击测试
半正弦波冲击测试 方波冲击测试
应变传感器 PCB板在半正弦波冲击下的应变响应
应变传感器 PCB板在半正弦波冲击下的应变响应

 

▽ 芯片及元器件随机振动条件下的寿命预测

 

热循环测试

 

▽ 不同层叠结构及核心材料下的PCB板材料参数

 

PCB Thickness Polymer Core Material PCB Data 芯片焊球寿命(热循环次数)
material number CTE x CTE y CTE z Flexural Modulus

CTEx/

CTEy

CTEz Ex/Ey Ez
1.57 EM370 12 15 40 24000 16.3 36.64 38166.5 28419.35 6500
1.608 EM355 12 15 40 22000 17.03 34.98 43807.22 28923.65 5800
1.575 FR4 17 17 60 17689 18.25 51.64 34765.76 21769.76 2850

 

▽ PCB板的翘曲会引起元器件受力集中

 

焊接变形

翘曲引起焊接变形,从而降低可靠性

 

▽ 不同封装结构的电阻元件寿命表现及其原理

 

热循环测试

 

热循环测试 热循环测试

 

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▽ 焊球拉拔力测试

 

不同IMC厚度对焊球拉拔力的影响

热循环测试

 

IMC厚度(um) 焊球开裂时的拉力(N)
Cu3Sn Cu6Sn5
1 2 21.32
2 4 16.66
3 7 15.25

 

▽ 温度循环条件下的焊料寿命计算

 

引脚开裂原理 仿真测试中的温度曲线
引脚开裂原理 仿真测试中的温度曲线

 

序号 焊料外形 累计应变能
(N.mm)
剪切应变幅值
(mm)
寿命
(循环次数)
1 凹状 0.00030 2.45e-3 5786
2 轻微凹陷 0.00021 1.84e-3 9120
3 轻微凸起 0.00028 2.22e-3 6166
4 凸起 0.00033 2.87e-3 5214

 

▽ ICT治具仿真测试

 

ICT治具仿真测试

 

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