基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法与流程

本发明属于倒装焊封装技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法。

背景技术：

电子器件失效很大程度上是由封装及组装的失效所引起，而在电子封装及组装的失效中，焊点的失效是主要原因。焊点的寿命预测一直是焊点可靠性问题的重要内容，目前行业内已经提出了多种寿命预测模型，比如基于应变范围的Coffin-Manson经验模型、基于断裂力学的裂纹扩展模型和基于损伤累积的能量模型等。然而以上的研究主要针对焊点最终寿命的预测，而不能实现对焊点服役过程中的寿命预测。

基于脉冲涡流感应热技术的焊点疲劳寿命预测方法，在检测出裂纹长度的前提下，应用Darveaux提出的焊点裂纹扩展模型可以实现对焊点剩余寿命的评估。Darveaux模型以能量为基础，同时考虑热疲劳中的迟滞能量效应，对于电子组件的寿命预测较为准确，被广泛用于新型芯片封装结构的疲劳寿命预测中。

脉冲涡流热成像技术(Eddy Current Pulsed Thermography，ECPT)是一种新兴的检测方法，它结合了涡流检测和热成像技术两方面的优势，具有较高的空间分辨率和灵敏度。目前，ECPT测试对象主要是航空航天，铁路轨道，石油管道，复合材料等大型或大面积样本尺寸的缺陷检测上，并未涉及利用脉冲涡流热成像技术对焊点进行寿命预测。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法，结合3D低周热疲劳模型和3D感应热模型，获取焊点热循环周期与焊点感应温度之间的关系，实现对焊点在服役过程中的寿命预测。

为实现上述发明目的，本发明基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法包括以下步骤：

S1：建立电子组件的3D低周热疲劳模型，根据预设的热循环条件预测得到电子组件的焊点热循环总周期N_F，并得到焊点热循环周期N_f关于裂纹长度a的函数N_f＝f(a)；

S2：建立与3D低周热疲劳模型相同结构的基于脉冲涡流热成像的3D感应热模型，模拟得到不同裂纹长度下焊点在脉冲涡流加热结束时的感应温度，获取感应温度T关于裂纹长度a的函数T＝g(a)；

S3：根据步骤S1得到的焊点热循环周期N_f关于裂纹长度a的函数N_f＝f(a)以及步骤S2得到的感应温度T关于裂纹长度a的函数T＝g(a)，得到焊点热循环周期N_f关于感应温度T的函数N_f＝h(T)；

S4：在焊点服役时，采用基于脉冲涡流热成像的焊点缺陷检测算法检测得到电子组件中的缺陷焊点，脉冲涡流热成像的参数与步骤S3中3D感应热模型模拟时的参数相同，同时记录各个缺陷焊点在脉冲涡流加热结束时刻的感应温度T(i)，i＝1,2,…,M，M表示缺陷焊点数量；

将各个缺陷焊点的感应温度T(i)代入焊点热循环周期N_f关于感应温度T的函数N_f＝h(T)，得到各个缺陷焊点已经经历的热循环周期N_f(i)，计算各个缺陷焊点对应的剩余热循环周期筛选M个剩余热循环周期中的最小值作为电子组件的焊点剩余寿命。

本发明基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法，建立电子组件的3D低周热疲劳模型，预测焊点热循环总周期，并得到焊点热循环周期关于裂纹长度的函数；建立基于脉冲涡流热成像的3D感应热模型，模拟得到获取感应温度关于裂纹长度的函数；联合两个函数得到焊点热循环周期关于感应温度的函数；在焊点服役时，采用基于脉冲涡流热成像的焊点缺陷检测算法检测得到电子组件中的缺陷焊点，记录各个缺陷焊点的感应温度，计算得到各个缺陷焊点已经经历的热循环周期，根据焊点热循环总周期即可计算得到各个缺陷焊点的剩余热循环周期，筛选最小剩余热循环周期作为电子组件的焊点剩余寿命。

本发明结合3D低周热疲劳模型和3D感应热模型，获取焊点热循环周期与焊点感应温度之间的关系，从而实现通过缺陷焊点的感应温度对焊点服役过程中的寿命进行预测，这种方法测量时间短、测量范围大、操作简单，对环境要求低，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法的具体实施方式流程图；

图2是本实施例中3D低周热疲劳模型图；

图3是本实施例中四组热循环条件示意图；

图4是基于Darvaeux模型得到热循环周期关于裂纹长度的函数的流程图；

图5是三处焊点在整个热循环过程的有效弹塑性形变曲线图；

图6是本实施例中3D感应热模型图；

图7是本实施例中电子组件在脉冲涡流加热结束时刻的热成像图；

图8是本实施例中不同裂纹下焊点在脉冲涡流加热结束时的感应温度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于脉冲涡流热成像的电子封装焊点热疲劳寿命预测方法包括以下步骤：

S101：建立3D低周热疲劳模型：

首先建立电子组件的3D低周热疲劳模型，根据预设的热循环条件预测得到电子组件的焊点热循环总周期N_F，根据3D低周热疲劳模型得到焊点热循环周期N_f关于裂纹长度a的函数N_f＝f(a)，f()为函数表达式。

本实施例中采用COMSOL Multiphysics软件建立3D低周热疲劳模型。图2是本实施例中3D低周热疲劳模型图。如图2所示，该模型中芯片包含36个直径为0.4mm的焊球、芯片以及敷铜的PCB板，焊点间隔0.5mm，电路板尺寸为6mm*6mm*1.025mm。由于各部分元件之间的差异较大，为了提高有限元计算的准确性和高效性，采用了全局-局部的网格剖分方法，即针对整个模型，采用较粗的网格剖分，而在较小的焊球处则采用精细的网格剖分。

目前业内具有多种基于热疲劳模型的焊点寿命预测方法，可以根据实际需要选择。本实施例中采用Darvaeux模型进行焊点寿命预测，其数学表达式为：

$N_0=K_1{\left(\frac{\mathrm{\Δ}W}{W_{ref}}\right)}^{K_2}---\left(1\right)$

$\frac{da}{dN}=K_3{\left(\frac{\mathrm{\Δ}W}{W_{ref}}\right)}^{K_4}---\left(2\right)$

$N_f=N_0+\frac{a}{da/dN}---\left(3\right)$

其中，K₁、K₂、K₃、K₄表示Darvaeux模型的经验常数；N_f表示预测寿命，即失效发生时的热循环次数；N₀表示裂纹萌生时所经历的热循环次数；ΔW表示平均累积应变能量密度；W_ref表示参考能量密度；a表示焊点断裂的临界尺寸，即焊点失效时的裂纹长度；表示裂纹扩展率，即裂纹的传播速度。

本实施例中，设置K₁＝13173、K₂＝-1.45、K₃＝3.92×10^-7m、K₄＝1.12，W_ref＝689J/m³，a＝0.2645mm，N_f设置为焊点失效率到达63.2％时所经历的热循环周期数。设置四组热循环条件，分别为-55-125℃，0-110℃，35-110℃，35-85℃。图3是本实施例中四组热循环条件示意图。

采用Darvaeux模型预测电子组件的焊点热循环总周期N_F的具体过程，可以参照文献“Effect of simulation methodology On solder joint crack growth correlation and fagigue life prediction”。

根据以上Darvaeux模型的说明可知，要获得焊点热循环周期N_f关于裂纹长度a的函数N_f＝f(a)，需要获得平均累积应变能量密度ΔW，然后代入公式(1)、(2)、(3)，即可得到N_f＝f(a)的表达式。图4是基于Darvaeux模型得到热循环周期关于裂纹长度的函数的流程图。如图4所示，基于Darvaeux模型得到热循环周期关于裂纹长度的函数的具体过程包括以下步骤：

S401：选取代表焊点：

对电子组件中的所有焊点进行有效弹塑性形变分析，筛选有效弹塑性形变最大的焊点作为代表焊点。以图2所示的3D低周热疲劳模型为例，由于处于最外侧的焊点在热循环过程中经受更强的塑性应变且焊点模型具有对称性，故选取图2中的A、B、C三处焊点分析其在不同的热循环条件下的应力应变关系。图5是三处焊点在整个热循环过程的有效弹塑性形变曲线图。如图5所示，在四组热循环条件下，A处焊点在整个热循环过程中有效弹塑性形变最大，意味着A处焊点最先出现裂纹，由于一个焊点的失效，就会导致或认为整个电子器件失效，因此选取A处焊点作为代表焊点。

S402：计算代表焊点的平均累积应变能量密度：

计算一个热循环周期下代表焊点的平均累积应变能量密度作为Darvaeux模型的平均累积应变能量密度ΔW。在选择热循环周期时，要选择代表焊点的应力应变处于稳定阶段的热循环周期。本实施例中，在第四循环周期，焊点的应力应变基本处于稳定阶段，因此计算第四热循环周期时A处焊点的平均累积应变能量密度作为Darvaeux模型的平均累积应变能量密度ΔW。本实施例中四组热循环条件下得到的平均累积应变能量密度分别为：-55-125℃下ΔW＝8.04×10³，0-110℃下ΔW＝3.92×10³，35-110℃下ΔW＝3.43×10³，35-85℃下ΔW＝773.02。

S403：得到函数N_f＝f(a)表达式：

将步骤402计算得到的代表焊点的平均累积应变能量密度ΔW，代入公式(1)、(2)、(3)，得到焊点热循环周期N_f关于裂纹长度a的函数N_f＝f(a)。本实施例中四组热循环条件下得到的N_f＝f(a)的函数表达式分别为：

S102：建立3D感应热模型：

建立与3D低周热疲劳模型相同结构的基于脉冲涡流热成像的3D感应热模型，模拟得到不同裂纹长度下焊点在脉冲涡流加热结束时的感应温度，获取感应温度T关于裂纹长度a的函数T＝g(a)，g()为函数表达式。

本实施例中同样采用COMSOL Multiphysics来建立3D感应热模型。图6是本实施例中3D感应热模型图。根据法拉第电磁感应定律，当在线圈中通入交变电流时，会产生交变的磁场，焊球处于交变的磁场中，在焊球内部会形成涡流。由焦耳定律可知，当导体中有电流存在时，导体内部会产生焦耳热(或阻抗热)。焦耳热Q的大小和导体内部的电流密度J_s或者电场强度E成正比，Q、J_s和E三者的关系可由下述公式描述。

$Q=\frac{1}{\mathrm{\σ}}|J_s{|}^2=\frac{1}{\mathrm{\σ}}|\mathrm{\σ}E{|}^2---\left(8\right)$

同时，产生的焦耳热会在焊球内部传播，其传播规律遵循公式(9)。

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂t}-\▿(k\▿T)=Q---\left(9\right)$

热量在传导和扩散的过程中，由于焊球的运行状态以及缺陷对热传导的阻碍或者促进作用，在焊球表面会形成“热区”和“冷区”，进而以表面温度不均匀的形式表现出来。以红外辐射理论为依据，利用热像仪记录焊球顶端在加热和冷却时段内热视频图像，如果焊球存在内部或表面缺陷，会使焊球表面和焊球内部区域温度有差异，缺陷焊球顶端的温度场分布与正常焊球相比也会存在差异，根据热图像中焊点的所呈现的不同形态来可以定位到缺陷焊球，根据缺陷焊点表面温度值，可以得到焊点表面所产生的裂纹长度。

如图6所示，由于焊点尺寸小，感应线圈中的激励电流过大产生的高温会融化焊球，而过小又不能产生足够的热量以影响热像仪的记录结果；激励频率太高会影响材料的集肤效应过于表面；同时，线圈与焊球的相对位置不同决定磁场方向和缺陷检测效果，因此需要根据焊球的大小和线圈的尺寸对激励电流、频率和线圈位置进行调整。在本实施例中，模拟时设置感应线圈所的施加交变电流的频率为256kHz、大小为380A。由于焊点的熔点较低，过长的加热时间可能对检测结果造成不利影响，因此加热时间应该控制在一个相对较短的时间内，通常加热时间设定为0.2s-0.5s，本实施例的模拟中设置加热时间为0.2s。

在感应热模型中，在焊点高度的15％处模拟裂纹的扩展，裂纹高度设定0.04mm。由于热疲劳过程中焊点的初始裂纹是在焊点最外侧的边缘处开始，因此模拟裂纹扩展时裂纹长度从焊点最外侧边缘处向焊点内逐渐延伸，裂纹长度分别设定为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm。

图7是本实施例中电子组件在脉冲涡流加热结束时刻的热成像图。如图7所示，在感应热过程中，当焊点中存在裂纹时，会使得焊点顶端面上感应温度低于正常焊点，因此可以从热成像图中识别并定位出存在裂纹的焊点，从而可以提取裂纹焊顶端面温度。由于在基于Darvaeux模型得到热循环周期关于裂纹长度的函数时，采用A焊点作为代表焊点，为了对应，在进行裂纹模拟时，也采用A焊点进行模拟。图8是本实施例中不同裂纹下焊点在脉冲涡流加热结束时的感应温度曲线图。如图8所示，感应温度与裂纹长度基本呈现线性关系，通过曲线拟合可以很容易地得出相应的线性关系表达式。根据图8得到的表达式为：

T＝0.0057a+306.757 (8)

S103：确定焊点热循环周期关于感应温度的函数：

根据步骤S101得到的焊点热循环周期N_f关于裂纹长度a的函数N_f＝f(a)以及步骤S102得到的感应温度T关于裂纹长度a的函数T＝g(a)，得到焊点热循环周期N_f关于感应温度T的函数N_f＝h(T)。相应地，h()也为函数表达式。

本实施例中，四组热循环条件下得到的焊点热循环周期N_f关于感应温度T的N_f＝h(T)函数表达式分别为：

-55-125℃：N_f＝28.57T-8392 (4)

0-110℃：N_f＝64.50T-1.8581*10⁴ (5)

35-110℃：N_f＝74.33T-2.153*10⁴ (6)

35-85℃：N_f＝393.36T-10.96*10⁴ (7)

S104：焊点剩余寿命预测：

在实际应用中，采用基于脉冲涡流热成像的焊点缺陷检测算法检测得到电子组件中的缺陷焊点，脉冲涡流热成像的参数与步骤S103中3D感应热模型模拟时的参数相同，同时记录各个缺陷焊点在脉冲涡流加热结束时刻的感应温度T(i)，i＝1,2,…,M，M表示缺陷焊点数量。目前业内有多种基于脉冲涡流热成像的焊点缺陷检测算法，可以根据实际需要进行选择，其具体算法在此不再赘述。然后将各个缺陷焊点的感应温度T(i)代入焊点热循环周期N_f关于感应温度T的函数N_f＝h(T)，得到各个缺陷焊点已经经历的热循环周期N_f(i)，计算各个缺陷焊点对应的剩余热循环周期筛选M个剩余热循环周期中的最小值作为电子组件的焊点剩余寿命。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。