因元器件封装与印制板热膨胀系数不匹配，导致元器件脱焊的故障是一种计算机板卡上常见故障。本文以XPC755芯片脱焊故障为例介绍了一种工艺改进方案，并进行了仿真验证及试验验证，结果表明，该工艺改进方案对焊点寿命有很大提高，为其他因热应力导致的故障提供了一种解决思路。

1 XPC755脱焊故障原因

某数据处理计算机模块（以下简称：DPC模块）在交付用户使用4年后，连续发生多起XPC755脱焊故障。脱焊引脚多为XPC755的B1引脚位置。设计人员经过大量分析验证后认为，XPC755芯片脱焊故障原因为芯片焊接采用了低铅焊球焊接工艺，降低了焊球的高度，使得芯片的陶瓷基板与PCB之间的焊球在热循环过程中产生的剪切力增加，经过长时间的环境应力，使得焊点疲劳开裂。

2 工程仿真模拟

2.1 环境条件

温循条件采用DPC模块的任务环境条件需满足飞机的寿命指标30年或5000飞行小时。

2.2 计算理论

目前焊点热应力疲劳寿命预测理论主要基于非弹性应变损伤理论，IPC-D-279《Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies》采用Engelmaier-Wild修正公式预测焊点热疲劳寿命。公式如下：

式中，c为经过温度和频率修正的疲劳延性指数。

其中Tm为循环平均温度，f为每天循环次数；△γp为塑性剪切应变范围；ε’f为疲劳延性系数，对于焊点广泛采用的SnPb共晶焊料，ε’f= 0.325。

通过有限元分析计算焊点的最大剪切塑性应变范围△γp，带入上面公式即可算出焊点的最小耐温循周期。

2.3 计算结果

给器件模型施加任务温循条件，仿真计算焊点剪切塑性应变，最大剪切塑性应变范围△γp为0.031，计算故障器件的耐温循次数为140循环，由于任务温循条件为8飞行小时/循环，则故障器件寿命为140×8=1120飞行小时。不满足5000飞行小时的寿命要求，该仿真结果与故障模块现象相符。

3 工艺改进方案

3.1 工艺改进依据

国际电子工业联接协会标准IPC-7095C-2013《BGA设计及组装工艺实施》提出可以通过点胶方式提高产品可靠性，针对XPC755的特性，采用点胶加固方式，降低器件和印制板的热失配，提升焊点的热疲劳寿命。

3.2 胶粘剂选型原则

胶粘剂的模量越大越好，至少应大于1GPa，胶粘剂的模量越大，其材料在外力作用下抗弹性变形的能力越大，选择胶粘剂的模量越大其对产品可靠性提升越大，因此，不建议使用硅橡胶类胶粘剂进行加固。

点胶所使用材料应与焊点的热膨胀系数（CTE）接近，在热循环过程中，在器件与印制板之间使用胶粘剂进行加固，可以减少器件与PCB板因热膨胀系数不匹配而引起相对位移及相应应力，从而分担PCB板与器件焊点间因温度变化而产生的剪切力，进而提高了焊点寿命。如果使用胶粘剂的热膨胀系数（CTE）与焊点的热膨胀系数存在较大差异，会导致在温度冲击过程中胶粘剂热胀冷缩对焊点产生拉伸应力，因此，点胶所使用材料应与焊点的热膨胀系数（CTE）接近。

Tg温度应大于产品所使用温度，当使用环境超过胶粘剂的玻璃化温度，胶粘剂的各方面性能均会发生变更，因此，选用胶粘剂的Tg温度应大于产品的使用温度。

3.3 工艺改进方案

根据胶粘剂选型原则，针对DPC模块XPC755的特性，进行胶选择并参考‘L’型点胶方式，制定DPC模块XPC755的点胶标准和方案，见图1所示，并进行了试验验证。

图1 XPC755器件点胶要求示意图

4 工艺改进验证

4.1 仿真验证

对点胶后的芯片施加任务温度环境条件进行仿真分析，对比不点胶和点胶焊点热疲劳寿命仿真结果如表1所示。

表1 焊点热疲劳寿命对比?

从上面仿真分析结论可看出：器件点胶或更换高铅焊球能够满足5000飞行小时的寿命指标，并且高铅焊球效果好于点胶效果。

4.2 试验验证

产品根据《高可靠性表贴和混装焊接工艺》（ECSS-QST-70-38C）温循环境条件进行加速试验验证。试验条件为：-55℃-100℃，保持时间为15min，每一循环持续时间61min。

试验结果为：不点胶模块在76循环开始出现脱焊故障，点胶模块在323循环时出现脱焊故障。

通过仿真计算在加速试温循验条件下不点胶器件焊点寿命为75个循环，点胶为340个循环。说明仿真与实验值基本吻合。

文章来源：《电子元器件与信息技术》 网址: http://www.dzyqjyxxjs.cn/qikandaodu/2021/0730/1425.html