一种BGA焊点热疲劳寿命的预测方法及系统与流程

本发明实施例涉及焊点检测
技术领域：
，具体涉及一种bga焊点热疲劳寿命的预测方法及系统。
背景技术：
：电子产品在使用过程中饱受高温、温度循环、振动、冲击、高湿等恶劣环境条件的影响、极易导致电子产品的焊球阵列封装(ballgridarray，以下简称bga)焊点失效。目前，对bga焊点进行使用寿命预测的方法考虑的因素较多、且分析机制复杂，导致通用性不强。在实现本发明实施例的过程中，发明人发现：bga焊点失效的主要原因是温度循环引发的低周热疲劳。因此，如何针对由温度循环引发的低周热疲劳，预测bga焊点的使用寿命，成为亟须解决的问题。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种bga焊点热疲劳寿命的预测方法及系统。第一方面，本发明实施例提供一种bga焊点热疲劳寿命的预测方法，所述方法包括：获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。第二方面，本发明实施例提供了一种bga焊点热疲劳寿命的预测系统，所述系统包括：获取模块，用于获取所述bga焊点塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；预测模块，用于根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。第三方面，本发明实施例提供另一种bga焊点热疲劳寿命的预测系统，包括：处理器、存储器和总线，其中，所述处理器和所述存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如下方法：获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，包括：所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如下方法：获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测方法及系统，针对由温度循环引发的热疲劳问题能够更加简便、快捷地预测出bga焊点的使用寿命，提高了通用性，因此具有较好的工程应用价值。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例bga焊点热疲劳寿命的预测方法流程示意图；图2为bga焊点正常工作条件下温度循环载荷条件图；图3为使用matlab根据仿真和加速试验得到的8组数据的拟合图；图4为所述bga焊点的样本设计图；图5为bga焊点两组加速试验条件下的温度循环载荷条件图；图6为本发明实施例bga焊点热疲劳寿命的预测系统结构示意图；图7为本发明实施例提供的系统实体结构示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明实施例bga焊点热疲劳寿命的预测方法流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种bga焊点热疲劳寿命的预测方法，包括以下步骤：s1：获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能。具体的，系统获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能。需要说明的是：bga焊点在温度循环条件下产生热疲劳，热疲劳载荷对bga焊点做功，从而引起bga焊点内部发生变形，导致bga焊点单位质量内部发生熵增，而外部做功可通过应变能反映，该应变能是以应变和应力的形式贮存在bga焊点内的势能，该熵增包括可逆熵增和不可逆熵增，根据弹塑性力学，bga焊点不可逆熵增与塑性应变范围、总应变能之间存在有如下关系式：其中，su为单位质量不可逆熵，η2为不可逆熵增的转化率，η为应变能的不可逆熵增转化率，η1为应变能的熵转化率，wt为应变能，ρ为bga焊点密度，t为bga焊点绝对温度，s为单位质量熵。根据弹塑性力学，塑性变形会使bga焊点内部造成不可以完全恢复的损伤，即不可逆熵增转化率η与塑性应变范围之间具有的关系，其中，δεp为塑性应变范围，δεt为总应变范围，m为材料常数。将上述关系代入到上述公式(1)，得到关系式：从bga焊点循环开始时刻到bga焊点发生疲劳破坏的时刻，bga焊点材料累积的不可逆熵增是一个定值，用const表示。对公式(2)两边积分，且令其为定值，再根据分割原理，将其化简成如下求和的形式：其中：δsui(i＝1,2,…nf)为bga焊点第i个温度循环的不可逆熵增，δwti(i＝1,2,…nf)为第i个温度循环的应变能，δεpi(i＝1,2,…nf)为第i个温度循环的塑性应变范围，δεti(i＝1,2,…nf)为第i个温度循环的总应变范围，nf为bga焊点的失效循环数，可以理解为：bga焊点在发生疲劳破坏时刻所经历的温度循环次数。可以近似认为bga焊点整个温度循环过程中的塑性应变范围、总应变范围和总应变能为常数，得到基于能量的热疲劳寿命的预测模型为：其中，δεp为塑性应变范围，δεt为总应变范围，δwt为总应变能，m为bga焊点的材料常数，const为累积的不可逆熵增数值，为常数，nf为bga焊点的失效循环数。s2：根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。具体的，系统根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。需要说明的是：该热疲劳寿命的预测模型需要预先根据一定数量的样本数据进行拟合得到模型参数const和m的数值，此样本数据包括塑性应变范围δεp，总应变范围δεt，总应变能δwt，及焊点失效循环数nf，确定出const和m的数值后，即得到完整的bga焊点热疲劳寿命预测模型。再根据塑性应变范围、总应变范围、总应变能，预测出bga焊点的失效循环数nf，图2为bga焊点正常工作条件下温度循环载荷条件图，如图2所示，bga焊点正常工作条件下温度循环载荷如下图2为bga焊点正常工作条件下温度循环载荷条件图：设定bga焊点正常工作条件下的温度范围为20℃～70℃，一个循环的时间为120min，即：从温度20℃开始上升，经50min达到70℃，持续10min，再经过50min达到20℃，持续10min，上述工作过程为一个循环；依次重复上述循环工作过程，当bga焊点发生了疲劳破坏，此时已经完成的循环次数就是nf，nf称为bga焊点的失效循环数，因此nf可以用于表征bga焊点热疲劳寿命。本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测方法，针对由温度循环引发的热疲劳问题能够更加简便、快捷地预测出bga焊点的使用寿命，提高了通用性，因此具有较好的工程应用价值。在上述实施例的基础上，所述热疲劳寿命的预测模型为：其中，nf为所述bga焊点的失效循环数；const为所述bga焊点从温度循环开始时刻到发生疲劳破坏时刻的bga焊点的材料累积的不可逆熵增，所述const为常数；m为所述bga焊点的材料常数；δεp为塑性应变范围；δεt为总应变范围；δwt为总应变能。具体的，系统中的所述热疲劳寿命的预测模型为：其中，nf为所述bga焊点的失效循环数；const为所述bga焊点从温度循环开始时刻到发生疲劳破坏时刻的bga焊点的材料累积的不可逆熵增，所述const为常数；m为所述bga焊点的材料常数；δεp为塑性应变范围；δεt为总应变范围；δwt为总应变能。具体的获取步骤可参照上述实施例，此处不再赘述。本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测方法，通过热疲劳寿命的预测模型，针对由温度循环引发的热疲劳问题能够更加简便、快捷地预测出bga焊点的使用寿命。在上述实施例的基础上，所述方法还包括：在使用所述热疲劳寿命的预测模型之前，获取多组塑性应变范围样本值、多组总应变范围样本值、多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数。具体的，系统在使用所述热疲劳寿命的预测模型之前，获取多组塑性应变范围样本值、多组总应变范围样本值、多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数。选择较多的应变能样本参数值组，可以使得热疲劳寿命的预测模型具有更准确的预测效果。将所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数代入中，并拟合所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数，以确定const和m的数值。具体的，系统将所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数代入中，并拟合所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数，以确定const和m的数值。表1为利用加速试验和仿真得到的相关数据表，(δwp为塑性应变能、δwe为弹性应变能、δwt为总应变能、δεp为塑性应变范围、δεe为弹性应变范围、δεt为总应变范围、nf为所述bga焊点的失效循环数)图3为使用matlab根据仿真和加速试验得到的8组数据的拟合图，由表1所示的8组数据和matlab拟合的函数，可以确定const和m的数值，具体的const＝6.903×10-6、m＝8.075得到确定const和m数值的热疲劳寿命的预测模型为：表1本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测方法，通过预先对热疲劳寿命的预测模型进行训练，以确定const和m的数值，使得热疲劳寿命的预测模型的预测效果更加准确。具体的，获取多组塑性应变范围样本值、多组总应变范围样本值、多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数的步骤可以是：设计bga焊点封装样本(此封装样本主要由印制板、下铜垫、焊点、上铜垫和基板组成，且设计成菊花链结构，从外到内分别记为t1、t2、t3)两组加速试验温度循环载荷条件，如图5所示：在高加速试验应力下，温度从室温25℃开始在75分钟内上升到100℃，保温10分钟，然后在160分钟内快速冷却到-60℃，保温10分钟，然后在85分钟内升到室温25℃，为一个周期的温度循环。在低加速试验应力下，温度从室温25℃开始在55分钟内上升到80℃，保温10分钟，然后在120分钟内快速冷却到-40℃，保温10分钟，然后在65分钟内升到室温25℃，为一个周期的温度循环。在高加速试验应力下有两个样品u1和u2，低加速试验应力下有两个样品u3和u4，每个样品上从外到内分别记为t1、t2、t3的bga焊点，即一种应力下共有六组试验数据。然后将bga焊点封装样本放置于温度循环试验箱中，进行多个周期的热循环试验，每种试验应力下取四组最先发生疲劳破坏的bga焊点所对应的失效循环次数，记录在如表2所示的高应力下bga焊点失效循环次数，和如表3所示的低应力下bga焊点失效循环次数中。表2表3继续参照图2，并根据norris-landzberg模型，计算bga焊点封装样本两组应力下加速热循环试验的加速因子。(1)高应力温度循环与正常工作条件下温度循环加速因子：af为加速因子，nu为正常工作条件下bga焊点的失效循环次数，na为加速热循环试验条件下bga焊点的失效循环次数。δta为加速热循环试验条件下bga焊点的温度变化范围，δtu为实际工作条件下bga焊点的温度变化范围，fu为实际工作条件下bga焊点的热循环频率，fa为加速试验条件下bga焊点的热循环频率，a为热循环频率指数，取值为-1/3，b为温度循环范围指数，取值为2，ea为激活能，取值为0.42ev，k为玻尔兹曼常数，取值为tku为实际工作条件下bga焊点的最高温度，tka为加速试验条件下的bga焊点的最高温度。(2)低应力温度循环与实际工作条件下温度循环加速因子：各变量说明可参照上述情况，不再赘述。将高、低应力下的bga焊点热疲劳失效循环数据外推至实际工作条件下，得到实际工作条件下的bga焊点的失效循环次数。以表2中u1_t1bga焊点为例说明如下：根据nf＝af*n′f＝45.403*182＝8263，得到对应于表4中的序号2的失效循环次数，其他bga焊点数据不再赘述。依次得到全部的bga焊点的失效循环次数，得到如表4所示实际工作条件下全部bga焊点失效循环次数。表4序号1234567861518263134842133923986254163788474506在有限元分析软件ansys中建立出bga焊点的有限元模型，包括芯片、bt基层板、铜垫、pcb基板及snpb焊点。在有限元分析软件ansys中设置bga封装样本正常工作条件下的温度循环应力，包括热循环的温度范围和每一个热循环周期的时间段，所述每一个热循环周期的时间段包括高低温的保温时间段和升温降温时间段，并对所述有限元模型进行热循环仿真。仿真完成后，提取bga焊点有限元模型中相对应的塑性应变范围样本值、总应变范围样本值、总应变能样本值，并进行记录。图6为本发明实施例bga焊点热疲劳寿命的预测系统结构示意图，如图6所示，本发明实施例提供了一种bga焊点热疲劳寿命的预测系统，包括获取模块1和预测模块2，其中：获取模块1用于获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；预测模块2用于根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。具体的，获取模块1用于获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能，获取模块1将塑性应变范围、总应变范围和总应变能发送给预测模块2，预测模块2用于根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测系统，针对由温度循环引发的热疲劳问题能够更加简便、快捷地预测出bga焊点的使用寿命，提高了通用性，因此具有较好的工程应用价值。在上述实施例的基础上，所述热疲劳寿命的预测模型为：其中，nf为所述bga焊点的失效循环数；const为所述bga焊点从温度循环开始时刻到发生疲劳破坏时刻的bga焊点的材料累积的不可逆熵增，所述const为常数；m为所述bga焊点的材料常数；δεp为塑性应变范围；δεt为总应变范围；δwt为总应变能。具体的，系统中的所述热疲劳寿命的预测模型为：其中，nf为所述bga焊点的失效循环数；const为所述bga焊点从温度循环开始时刻到发生疲劳破坏时刻的bga焊点的材料累积的不可逆熵增，所述const为常数；m为所述bga焊点的材料常数；δεp为塑性应变范围；δεt为总应变范围；δwt为总应变能。本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测系统，通过热疲劳寿命的预测模型，针对由温度循环引发的热疲劳问题能够更加简便、快捷地预测出bga焊点的使用寿命。在上述实施例的基础上，所述系统还包括训练模块，具体用于：在使用所述热疲劳寿命的预测模型之前，获取多组塑性应变范围样本值、多组总应变范围样本值、多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数；将所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数代入中，并拟合所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数，以确定const和m的数值。具体的，训练模块具体用于：在使用所述热疲劳寿命的预测模型之前，获取多组塑性应变范围样本值、多组总应变范围样本值、多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数；将所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数代入中，并拟合所述多组塑性应变范围样本值、所述多组总应变范围样本值、所述多组总应变能样本值、以及相对应的bga焊点的失效循环数，以确定const和m的数值。本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测系统，通过预先对热疲劳寿命的预测模型进行训练，以确定const和m的数值，使得热疲劳寿命的预测模型的预测效果更加准确。本发明实施例提供的bga焊点热疲劳寿命的预测系统具体可以用于执行上述各方法实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述方法实施例的详细描述。图7为本发明实施例提供的系统实体结构示意图，如图7所示，所述系统包括：处理器(processor)701、存储器(memory)702和总线703；其中，所述处理器701、存储器702通过总线703完成相互间的通信；所述处理器701用于调用所述存储器702中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取所述bga焊点的塑性应变范围、总应变范围和总应变能，其中，总应变能是指所述bga焊点在热疲劳载荷作用下因变形而储存在所述bga焊点中的势能；根据所述塑性应变范围、所述总应变范围、所述总应变能和热疲劳寿命的预测模型，预测所述bga焊点的失效循环数。本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。以上所描述的系统等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。当前第1页12