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1、(10)申请公布号 CN 103984835 A (43)申请公布日 2014.08.13 CN 103984835 A (21)申请号 201410238660.3 (22)申请日 2014.05.30 G06F 17/50(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 陈颖 高蕾 杨柳 王自力 (74)专利代理机构 北京慧泉知识产权代理有限 公司 11232 代理人 王顺荣 唐爱华 (54) 发明名称 一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型 建立方法 (57) 摘要 一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型 。
2、建立方法， 步骤如下 ： 一、 确定 IMC 生长物理模型 ； 二、 确定表贴焊点热疲劳寿命与 IMC 厚度之间的 物理模型 ； 三、 确定 IMC 厚度分布的概率密度函数 () ； 经以上三个步骤， 通过界面金属间化合 物即 IMC 这个纽带， 直接建立表贴焊点可靠性与 表贴焊点加工工艺、 工作条件之间的函数关系， 考 虑到 IMC 厚度的分散性， 对不同产品或者相同产 品的不同批次进行了离散化处理， 给出表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型。本发明直接建立 了表贴焊点可靠性与工艺条件之间的关系， 为改 进生产焊接工艺， 改善表贴焊点工作环境， 延长表 贴焊点热疲劳寿命， 提高焊接电子产。
3、品可靠性提 供了依据。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书9页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103984835 A CN 103984835 A 1/2 页 2 1. 一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型建立方法， 其特征在于 ： 该方法具体步 骤如下 ： 步骤一 ： 确定 IMC 生长物理模型 ： IMC 生长物理模型指的是在基本物理、 化学及试验回 归公式的基础上， 建立起来的定量反映 IMC 厚度与表贴焊点材料、 焊接时间、 焊接温度、 工 作时间、 。
4、工作温度这些影响因素之间的数学关系模型， 包括 ： a) 制备表贴焊点 ： 确定表贴封装对象为 LCCC 型电阻， 焊接材料为 63Sn37Pb 共晶合金、 焊接方法采用标准红外回流焊， 焊接温度为 233， 焊接时间分别为 50s， 100s， 150s， 200s， 250s， 300s， 且每个焊接时间下制备 n 个表贴焊点 ； b) 用扫描电子显微镜的图像采集功能对表贴焊点的 IMC 部位进行图像采集， 并用配套 的图形分析软件测量界面 IMC 的厚度 ； c) 根据焊接工艺参数及其对应的 IMC 厚度进行描点画图， 拟合成幂曲线 ； d) 根据拟合的幂曲线， 确定 IMC 生长物理模。
5、型 ； 步骤二 ： 确定表贴焊点热疲劳寿命与 IMC 厚度之间的物理模型， 包括 ： a)设计试验， 确定不同IMC厚度表贴焊点的热疲劳寿命， 将不同IMC厚度的表贴焊点进 行热疲劳寿命试验， 直到失效为止 ； b) 确定表贴焊点热疲劳寿命服从的分布类型 ； 因 IMC 生长而引起的表贴焊点热疲劳失 效， 其寿命近似服从关于 IMC 厚度的双参数威布尔分布 ： 其条件概率密度函数为 ： 其中， x 是表贴焊点的热疲劳寿命， 是 IMC 厚度， 是尺寸参数， m 是形状参数 ； c) 估计表贴焊点热疲劳寿命威布尔分布中的 、 m 参数值 ； 估计方程为 ： 其中， n和Xi分别指的是用来做寿命试。
6、验的同一IMC厚度的表贴焊点样本数和寿命值 ； 权 利 要 求 书 CN 103984835 A 2 2/2 页 3 和分别是表贴焊点寿命的均值和方差 ； 实数域上的伽玛函数为 ： d) 根据参数 、 m 的估计值， 分别拟合出 、 m 与 IMC 厚度之间的关系曲线， 并确定相 应的函数表达式， 将其代入表贴焊点热疲劳寿命分布函数， 得到下式 ： 其条件概率密度函数为 ： 步骤三 ： 确定 IMC 厚度分布的概率密度函数 ()， 则与 IMC 厚度分布有关的表贴焊 点热疲劳寿命概率密度函数为 ： f(x， ) f(x|)() (10) 计算得到表贴焊点的平均失效前工作时间为 ： 可靠度为 ：。
7、 其中， () 是 IMC 厚度分布的概率密度函数 ； f(x) 是其关于 x 的边缘概率密度函 数 ： f(x) f(x， )d (13) 通过以上三个步骤， 即通过界面金属间化合物即 IMC 这个纽带， 直接建立表贴焊点可 靠性与表贴焊点加工工艺、 工作条件之间的函数关系， 考虑到 IMC 厚度的分散性， 对不同产 品或者相同产品的不同批次进行了离散化处理， 给出表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模 型。 2. 根据权利要求 1 所述的一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型建立方法， 其特征在于 ： 在步骤一中所述的 “每个焊接时间下制备 n 个表贴焊点” ， 该 n 个范围为 5。
8、 n 30。 权 利 要 求 书 CN 103984835 A 3 1/9 页 4 一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型建立方法 技术领域 0001 本发明提供一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型建立方法， 它是通过研究 焊接界面金属间化合物 (IMC) 厚度与焊接工艺、 表贴焊点工作条件之间的关系， 建立考虑 IMC 的表贴焊点在工作过程中的热疲劳概率故障物理模型， 为评估表贴焊点的可靠性提供 依据， 属于基于故障物理的可靠性评估技术领域。 背景技术 0002 在电子封装技术中， 互连焊点起着传递信号、 提供散热途径、 连接和支撑电子元器 件和电路板的作用， 其可靠性极为关键。
9、。焊点的失效可能会引起一个装置或者整台设备无 法正常工作。 而作为焊点的连接材料和重要成分， IMC成为影响焊点可靠性的关键因素。 适 量的 IMC 可以起到提高接头强度、 增强接头连接性能、 润湿焊料及阻碍焊料扩散、 氧化的作 用 ； IMC 厚度太薄， 电子元件与电路板之间的结合就不牢靠 ； IMC 太厚或者分布不均匀， 其脆 性会引发裂纹的产生和发展， 焊点寿命下降。因此 IMC 是焊点可靠性、 元器件可靠性乃至电 子产品可靠性的一个关键问题， IMC 的影响因素及其对焊点热疲劳寿命的影响被提到了研 究的前沿。 0003 目前在材料科学领域， 很多学者利用光学显微镜、 扫描电子显微镜、 。
10、能谱分析仪、 图像处理软件这些先进技术对不同条件下 IMC 的形貌结构及厚度变化进行了观察、 对比和 分析， 对 IMC 的产生和生长行为及其影响因素已有较深入的探索。在焊点的可靠性方面， 则 多是基于试验现象和结果进行定性的阐述及微观成分的分析， 缺少定量的物理模型， 尤其 是焊接工艺及焊点工作条件与焊点寿命的直接关系模型， 对于焊点热疲劳寿命的分散性也 考虑较少。 国内外尚未形成建立焊点寿命分布参数与工艺参数、 结构参数的直接关系， 即考 虑 IMC 的焊点热疲劳概率故障物理模型的方法。 发明内容 0004 1、 目的 ： 本发明的目的在于针对现有表贴焊点热疲劳寿命计算方法的不足， 提供 。
11、一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型建立方法， 它是一种直接通过焊接工艺参数及 表贴焊点工作条件来确定表贴焊点可靠性相关参数的概率化方法(PPoF)。 该方法考虑了焊 接材料、 焊接工艺、 应力环境条件对焊料与焊盘之间形成的界面金属间化合物产生的分散 性， 最终计算获得表贴焊点的热疲劳寿命， 建立表贴焊点的可靠度、 平均失效前工作时间与 焊点材料、 焊接时间、 焊接温度、 工作时间、 工作温度之间的关系， 给出表贴焊点 IMC 热疲劳 概率故障物理模型， 为准确评估表贴焊点可靠性提供方法， 同时也为改进焊接工艺， 改善表 贴焊点工作条件， 延长焊接电子产品寿命提供了依据。 0005 2。
12、、 技术方案 ： 本发明是通过以下技术方案实现的， 首先建立不同焊接工艺、 表贴焊 点工作条件下的 IMC 生长模型 ； 然后以 IMC 厚度为桥梁， 确定得到描述焊接工艺、 表贴焊点 工作条件与表贴焊点热疲劳寿命之间关系的概率故障物理模型， 从而得到表贴焊点的可靠 度及平均失效前工作时间。 说 明 书 CN 103984835 A 4 2/9 页 5 0006 本发明一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型建立方法， 其具体步骤如下 ： 0007 步骤一 ： 确定 IMC 生长物理模型。IMC 生长物理模型指的是在基本物理、 化学及 试验回归公式的基础上， 建立起来的定量反映 IMC 厚。
13、度与表贴焊点材料、 焊接时间、 焊接温 度、 工作时间、 工作温度这些影响因素之间的数学关系模型， 主要包括 ： 0008 a) 制备表贴焊点 ： 确定表贴封装对象为 LCCC 型电阻， 焊接材料为 63Sn37Pb 共晶 合金、 焊接方法采用标准红外回流焊， 焊接温度为 233， 焊接时间分别为 50s， 100s， 150s， 200s， 250s， 300s， 且每个焊接时间下制备 n 个表贴焊点， 该 n 个范围为 5 n 30 ； 0009 b) 用扫描电子显微镜的图像采集功能对表贴焊点的 IMC 部位进行图像采集， 并用 配套的图形分析软件测量界面 IMC 的厚度 ； 0010 c。
14、) 根据焊接工艺参数及其对应的 IMC 厚度进行描点画图， 拟合成幂曲线 ； 0011 d) 根据拟合的幂曲线， 确定 IMC 生长物理模型 ； 0012 步骤二 ： 确定表贴焊点热疲劳寿命与 IMC 厚度之间的物理模型， 主要包括 ： 0013 a)设计试验， 确定不同IMC厚度表贴焊点的热疲劳寿命， 将不同IMC厚度的表贴焊 点进行热疲劳寿命试验， 直到失效为止 ； 0014 b) 确定表贴焊点热疲劳寿命服从的分布类型 ； 因 IMC 生长而引起的表贴焊点热疲 劳失效， 其寿命近似服从关于 IMC 厚度的双参数威布尔分布 ： 0015 0016 其条件概率密度函数为 ： 0017 0018。
15、 其中， x 是表贴焊点的热疲劳寿命， 是 IMC 厚度， 是尺寸参数， m 是形状参数 ； 0019 c) 估计表贴焊点热疲劳寿命威布尔分布中的 、 m 参数值 ； 估计方程为 ： 0020 0021 0022 0023 0024 其中， n 和 Xi分别指的是用来做寿命试验的同一 IMC 厚度的表贴焊点样本数和寿 命值 ； 和分别是表贴焊点寿命的均值和方差 ； 实数域上的伽玛函数为 ： 说 明 书 CN 103984835 A 5 3/9 页 6 0025 0026 d) 根据参数 、 m 的估计值， 分别拟合出 、 m 与 IMC 厚度之间的关系曲线， 并确 定相应的函数表达式， 将其代。
16、入表贴焊点热疲劳寿命分布函数， 得到下式 ： 0027 0028 其条件概率密度函数为 ： 0029 0030 步骤三 ： 确定 IMC 厚度分布的概率密度函数 ()， 则与 IMC 厚度分布有关的表 贴焊点热疲劳寿命概率密度函数为 ： 0031 f(x， ) f(x|)() (10) 0032 计算得到表贴焊点的平均失效前工作时间为 ： 0033 0034 可靠度为 ： 0035 0036 其中， () 是 IMC 厚度分布的概率密度函数 ； f(x)， 是其关于 x 的边缘概率密 度函数 ： 0037 f(x) f(x， )d (13) 0038 通过以上三个步骤， 即可以通过界面金属间化。
17、合物 (IMC) 这个纽带， 直接建立表 贴焊点可靠性与表贴焊点加工工艺、 工作条件之间的函数关系， 考虑到 IMC 厚度的分散性， 对不同产品或者相同产品的不同批次进行了离散化处理， 给出表贴焊点 IMC 热疲劳概率故 障物理模型。 0039 3. 优点及功效 ： 本发明一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型建立方法， 具 有以下优点 ： 0040 a. 利用建立的 “焊接工艺条件” 、“环境应力” 、“表贴焊点热疲劳寿命” 之间的概率 化物理模型， 得到失效概率与时间、 应力、 材料之间的直接关系， 来预计表贴焊点在某一焊 接工艺水平、 工作条件下的可靠度、 平均失效前工作时间， 不。
18、需要再去测量界面 IMC 厚度等 数据或做抽样试验来统计表贴焊点的热疲劳寿命， 从而为表贴焊点可靠性的预计评估工作 节约了时间和成本。 0041 b. 直接建立表贴焊点可靠性与工艺条件之间的关系， 为改进生产焊接工艺， 改善 表贴焊点工作环境， 从而延长表贴焊点热疲劳寿命， 提高焊接电子产品可靠性提供了理论 依据。 说 明 书 CN 103984835 A 6 4/9 页 7 附图说明 0042 图 1 是本发明所述方法流程图 0043 图 2 是表贴焊点结构示意图 0044 图 3 是界面金属间化合物厚度与焊接回流时间的关系图 0045 图 4 是温度循环试验剖面图。 0046 图 5 是参。
19、数 m 与表贴焊点 IMC 厚度 的函数关系图。 0047 图 6 是参数 与表贴焊点 IMC 厚度 的函数关系图。 0048 图中符号、 代号说明如下 ： 0049 图 2 中的 PCB 指的是印制电路板， FR4 指的是环氧树脂玻璃纤维 ； 0050 图 5 中的 m 表示双参数威布尔分布的形状参数， 表示表贴焊点 IMC 厚度 ； 0051 图 6 中的 表示双参数威布尔分布的尺寸参数， 表示表贴焊点 IMC 厚度。 具体实施方式 0052 下面将结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。 0053 以下实例是对片式元件 1206 的表贴焊点热疲劳失效机理的概率化分析， 主要包 括建立 。
20、IMC 生长模型， 确定 IMC 厚度与表贴焊点热疲劳寿命之间的函数关系， 得到焊接工 艺、 表贴焊点工作条件与表贴焊点热疲劳寿命间的概率故障物理模型， 确定表贴焊点的可 靠度及平均失效前工作时间。 0054 本发明一种表贴焊点IMC热疲劳概率故障物理模型建立方法， 如图1所示， 其具体 步骤如下 ： 0055 步骤一 ： 确定 IMC 生长物理模型。 0056 a) 设计实验， 制备表贴焊点。将该电阻 (LCCC 型 1206) 在 150下预热 60s， 然后 在红外再流焊机中用标准红外回流焊将其焊接在 PCB 板上， 焊料为 63Sn37Pb 共晶合金， 焊 盘为 Cu， 表贴焊点结构原。
21、理图如图 2 所示。焊接温度为 233， 焊接时间分别为 50s， 100s， 150s， 200s， 250s， 300s， 且每个焊接时间下制备 10 个表贴焊点。 0057 b) 用扫描电子显微镜的图像采集功能对表贴焊点的 IMC 部位进行图像采集， 并用 配套的图形分析软件测量界面 IMC 的厚度， 每个焊接时间下的 IMC 厚度见表 1。 0058 表 1 焊接时间 -IMC 厚度表 0059 说 明 书 CN 103984835 A 7 5/9 页 8 0060 0061 c)根据不同焊接时间得到的IMC平均厚度进行描点画图， 拟合成幂曲线， 如图3所 示。 0062 d) 根据拟。
22、合的抛物线， 确定 IMC 生长物理模型 ： 0063 0064 其中， 是 IMC 平均厚度， t 为焊接时间， 扩散系数 D O.217m2s-1， IMC 生长指 数 0.39， 即 ： 0065 0066 步骤二 ： 确定表贴焊点热疲劳寿命与 IMC 厚度之间的物理模型。主要包括 ： 0067 a) 试验确定不同 IMC 厚度表贴焊点的热疲劳寿命。利用第一步中制备的不同 IMC 厚度的表贴焊点在 TABAI TSA-70L 热冲击箱中接受热冲击， 所经历的温度循环剖面如图 4 所示， 高温 125， 低温为 -25， 高低温各停留 15min， 直到失效为止， 得到不同 IMC 厚度的。
23、 寿命结果如表 2 所示。 0068 表 2 不同 IMC 厚度的表贴焊点热疲劳寿命 0069 说 明 书 CN 103984835 A 8 6/9 页 9 0070 b)确定表贴焊点热疲劳寿命服从的分布类型。 因IMC生长而引起的表贴焊点热疲 劳失效， 其寿命近似服从关于 IMC 厚度的双参数威布尔分布， 见式 (1)， 其条件概率密度函 数， 见式 (2)。 0071 c) 估计表贴焊点热疲劳寿命威布尔分布中 、 m 参数值。将表 2 中的数据代入估 计方程 (3) (7)， 得到不同 IMC 厚度的 、 m 估计值见下表。 0072 表 3 不同 IMC 厚度对应的 、 m 估计值 00。
24、73 0074 d) 根据参数 、 m 的估计值， 用最小二乘法拟合 、 m 与 IMC 厚度之间的曲线， 如 图 5 和图 6， 并分别确定其函数表达关系式为 ： 0075 m() 4.703-0.6 (16) 0076 () 1515.547-1.248 (17) 0077 将式 (16)、 (17) 代入式 (8) 中， 得到表贴焊点热疲劳寿命关于 IMC 厚度的分布函 数 ： 0078 0079 代入式 (9)， 得到其条件概率密度函数为 ： 0080 0081 步骤三 ： 确定 IMC 厚度分布的概率密度函数 ()。由于工艺、 材料的差异， 同一 焊接时间下 IMC 的厚度服从正态分。
25、布， 则 ： 0082 0083 该分布的均值见式 (15)， 标准差根据 3 法则获得， 即 /3， 其中， 说 明 书 CN 103984835 A 9 7/9 页 10 根据表 1， 确定不同焊接时间对应的 IMC 厚度标准差， 见表 4。 0084 表 4 焊接时间 -IMC 厚度标准差表 0085 焊接时间 (s)50100150200250300 IMC 厚度的标准差 0.0170.0130.0170.013 0.0170.020 0086 由上表可得 ： 0087 0.017 (21) 0088 将式 (15)、 (21) 代入式 (20)， 得到 IMC 厚度分布的概率密度函数。
26、 ： 0089 0090 将式 (19)、 (22) 代入式 (10)， 得到与 IMC 厚度分布有关的表贴焊点热疲劳寿命概 率密度函数 ： 0091 0092 将式 (23)、 (13) 代入式 (11)， 得到表贴焊点的平均失效前工作时间 ： 0093 0094 将式 (23)、 (13) 代入式 (12)， 得到表贴焊点的可靠度 ： 0095 0096 本发明建立了一种表贴焊点 IMC 热疲劳概率故障物理模型方法， 利用该方法， 可 以在不测量表贴焊点界面金属间化合物 (IMC) 厚度的情况下， 研究由于 IMC 机理导致的表 贴焊点热疲劳失效问题， 直接建立起表贴焊点的可靠度、 平均失。
27、效前工作时间与表贴焊点 材料、 焊接时间、 焊接温度、 工作时间、 工作温度这些因素之间的关系， 为表贴焊点可靠性预 计评估工作节约了时间和成本， 为改进生产焊接工艺， 改善表贴焊点工作环境， 从而延长表 说 明 书 CN 103984835 A 10 8/9 页 11 贴焊点热疲劳寿命， 提高焊接电子产品可靠性提供了理论依据。 0097 本发明中引用字母的物理意义如下表说明 ： 0098 0099 说 明 书 CN 103984835 A 11 9/9 页 12 说 明 书 CN 103984835 A 12 1/3 页 13 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103984835 A 13 2/3 页 14 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103984835 A 14 3/3 页 15 图 6 说 明 书 附 图 CN 103984835 A 15 。