疲勞壽命試驗(yàn)法和評(píng)價(jià)法

1、疲勞壽命試驗(yàn)法和評(píng)價(jià)法4.4疲勞壽命試驗(yàn)法和評(píng)價(jià)法(1)熱循環(huán)加速試驗(yàn)和疲勞壽命評(píng)價(jià)方法作為接合部熱循環(huán)疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法，最好使用熱循環(huán)加速試驗(yàn)，為驗(yàn)證上述采用應(yīng)力解析方法說明非線性應(yīng)變振幅和熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)對(duì)接合部疲勞壽命的關(guān)系，利用非線性應(yīng)變振幅施行的接合部熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)結(jié)果由圖4.9表示。圖示說明采用幾種不同的條件 TOC o 1-5 h z 得到的疲勞壽命結(jié)果差不多在相同的直線上，評(píng)價(jià)應(yīng)力應(yīng)變首先要正確評(píng)價(jià)各試驗(yàn)區(qū)間(溫度變化和溫度保持) 對(duì)蠕變的影響，同時(shí)還需考慮焊料材料的溫度依存性。在材料的時(shí)間依存性和溫度依存性正確評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，利用接合部生存的非線性應(yīng)變振幅，再根據(jù) Coff

2、in-Manson法則得到接合部的熱疲勞強(qiáng)度，熱疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)公式見下面。Nf =1/2(.eqin/；：；o)R(4)這里的Nf表示接合部的疲勞壽命， eqin是根據(jù)材料的時(shí)間依存性和溫度依存性評(píng)價(jià)后得到的接合部非線性等效應(yīng)變振幅。用熱循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)可以減少表示強(qiáng)度特性的eo、m系數(shù)，這是試驗(yàn)時(shí)需注意的一點(diǎn)。圖4. 9 熱循算成勢(shì)#令和#線性等效成變振牖的關(guān)系(2)機(jī)械性疲勞試驗(yàn)和疲勞壽命評(píng)價(jià)方法在研究接合部熱疲勞壽命時(shí)，常用熱沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)，但是熱沖擊試驗(yàn)機(jī)的高溫、低溫保持時(shí)間比較容易控制，由高溫到低溫或由低溫到高溫的溫度變化時(shí)間較難控制，因焊料接合部形狀的不同有時(shí)要實(shí)行不同的疲勞壽命

3、試驗(yàn)，就需改變?cè)囼?yàn)溫度等級(jí)， 原來設(shè)定的高溫側(cè)溫度為125C-150c，針對(duì)使用溫度20C-80c的共晶焊料(熔點(diǎn)183C)這樣 對(duì)上面的熱循環(huán)試驗(yàn)條件有必要重新考慮。熱循環(huán)試驗(yàn)存在的問題是，對(duì)接合部采用的是熱疲勞壽命加速試驗(yàn)，很少采用作為實(shí)際10周期(循環(huán))，10周期(循環(huán))，每試驗(yàn)一個(gè)周期最短時(shí)間為20分鐘，10的周期需要4-5個(gè)月以上的試驗(yàn)時(shí)間，這種評(píng)價(jià)方法化費(fèi)的代價(jià)太大。在新產(chǎn)品投產(chǎn)期間，投資商所希望的熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)至多1-2個(gè)月。近年來，作為熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)的替代方式，有人提出了機(jī)械等溫疲勞試驗(yàn)方法，即考慮到焊接材料的溫度依存性，使用經(jīng)應(yīng)力/應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)得到的非線性應(yīng)變振幅，按統(tǒng)一的熱循環(huán)

4、疲勞壽命評(píng)價(jià)方式一一接合部低循環(huán)熱疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)來獲得結(jié)論。對(duì)焊料接合部施行恒定溫度下的機(jī)械往返荷載，由接合部產(chǎn)生的往返型非線性應(yīng)變的模擬，完成熱疲勞強(qiáng)度的評(píng)價(jià)。剪切型機(jī)械性疲勞試驗(yàn)方法說明的試驗(yàn)結(jié)果，記述了機(jī)械疲勞試驗(yàn)和熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)的相關(guān)關(guān)系，也說明了作為疲勞試驗(yàn)替代方式的妥善性。機(jī)械加速試驗(yàn)的特征有以下幾點(diǎn)。(a)可以進(jìn)行比熱循環(huán)試驗(yàn)的速度(時(shí)間)寬得多的機(jī)械性試驗(yàn)。(b)可以正確地控制對(duì)接合部施加的應(yīng)變速度。(c)根據(jù)已控制的應(yīng)變速度，可對(duì)接合部的非線性應(yīng)變成分比進(jìn)行正確控制，并由各應(yīng)變成分(sc、sp)調(diào)整對(duì)接合部生存的不同損傷。(d)可在恒溫下對(duì)接合部設(shè)定任意的應(yīng)變范圍，得到近似于大

5、的或小的熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果。微型結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)可分為負(fù)載控制試驗(yàn)和位移控制試驗(yàn)二種，負(fù)載控制試驗(yàn)依賴于測(cè)力傳感器的測(cè)試精度，現(xiàn)常用1/5000的全頻式測(cè)力傳感器，但由于電子器件接合部的疲勞破壞產(chǎn)生的封裝體與基板間的線脹失配，接合部遭受的負(fù)荷與強(qiáng)制位移模式相似，為此，執(zhí)行接合部熱疲勞強(qiáng)度模擬試驗(yàn)時(shí)，也可采用位移控制方式，。在電子元件進(jìn)入小型化時(shí)代，開展接合部位移控制試驗(yàn)，其位移行程可設(shè)定在10微米到數(shù)拾微米間，位移精度可控制在0.5微米以上。圖4. 10 圖4. 10 剪切型機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)圖4.10是剪切型機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)外觀，試驗(yàn)時(shí)將夾盤固定在工作臺(tái)上，由線性傳動(dòng)裝置作左右方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在位移

6、控制場(chǎng)合，通過裝置上的位移儀測(cè)量最大，最小位移量，這時(shí)試驗(yàn)片粘接在封裝體上部夾頭上，分別與基板下部、 夾盤固定。試驗(yàn)片的限幅方法是影響試驗(yàn)性能的主因， 這里通過限幅來避開對(duì)試驗(yàn)片的限幅負(fù)荷，特采取了限幅裝置設(shè)計(jì)， 以提高試驗(yàn)的可靠性。在室溫20 c時(shí)施行的二種應(yīng)變速度的機(jī)械疲勞試驗(yàn)結(jié)果由圖4.11表示，接合部應(yīng)變速度在0.4%/S場(chǎng)合，產(chǎn)生的是非線性應(yīng)變的塑性應(yīng)變?nèi)f分，應(yīng)變速度為0.003%/S時(shí)產(chǎn)生蠕變應(yīng)變，兩都結(jié)果的比較，往返蠕變應(yīng)該顯示的疲勞壽命 s前往返塑性應(yīng)變顯示的疲勞壽命 p其產(chǎn)生的差異不大。說明可利用接合部生存的非線性等效應(yīng)變幅度進(jìn)行接合部疲勞 壽命的評(píng)價(jià)。非規(guī)fc4.收中春牛曬

7、11 AC井白非規(guī)fc4.收中春牛曬11 AC井白4灼3、摟占哥坡勞京市和I線件玄爐小陽缸關(guān)里尸.I 卜11- T-4 ；an n-Jih/*wi.用蛀時(shí)H猿lEE XZX圖4.11的結(jié)果也表示了熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，說明各個(gè)應(yīng)變速度的機(jī)械疲勞壽命特性是一致的，也意味著所有疲勞壽命結(jié)果可用一條近似壽命曲線來表示，就是通過前面的公式（4）來進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測(cè)。（3 ）BGA接合部的疲勞壽命評(píng)價(jià)BGA焊接接合部大多用回流工藝形成，利用常規(guī)的回流焊工藝要使各接合點(diǎn)形狀都一致是困難的，BGA接點(diǎn)（引線）的疲勞壽命與其接點(diǎn)形狀有很大的關(guān)系，為提高 BGA的 接合部疲勞壽命可考慮做成各種各樣的接點(diǎn)形狀。等

8、效非我性應(yīng)變振幅圖4.I2 BG立接合部,-， I-7!1001 UDO 1DOOO 10000A Mech3 a等效非我性應(yīng)變振幅圖4.I2 BG立接合部,-， I-7!1001 UDO 1DOOO 10000A Mech3 a Therm3.1 ,一廣一!1| II：!疲勞壽命N,圖4,13用三維解析結(jié)果評(píng)價(jià)機(jī)械疲勞和熱地環(huán)疲勞圖4.12是三種不同BGA接點(diǎn)形狀，其疲勞壽命評(píng)價(jià)結(jié)果見圖 4.13 ,縱軸表示非線 性等效應(yīng)變振幅，是利用三維有限單元解析計(jì)算對(duì)接合轉(zhuǎn)角部應(yīng)變的平均值。 TOC o 1-5 h z 各種BGA接合部疲勞壽命形狀并不是曲線，而是相同的直線狀，其線性傾斜接近2. 0,

9、因此BGA的接合部疲勞壽命可以按下式進(jìn)行評(píng)價(jià)。_2 0 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document Nf =1/2( ： ；eqin/；o) (5) eo是系數(shù)，顯示BGA的接合部壽命特性，在不考慮BGA接點(diǎn)形狀的情況下，可以用上式進(jìn)行非線性應(yīng)變的評(píng)價(jià)，不過要注意的是，表示疲勞壽命特性的么80與常規(guī)貼裝型SMD是不同的。10001OQD0,0井筑性等效應(yīng)變振幅%A10001OQD0,0井筑性等效應(yīng)變振幅%A理芳?jí)勖麼t圖4 14 使用蜘】3.5Ag -0. 75Cu無鉛打?qū)CA的疲勞壽命評(píng)價(jià)結(jié)果Sn-Pb4.5 BGA/無鉛焊料(Sn-3.5Ag-0.75Cu )焊接