黃 凱， 胡形成， 李 冰， 劉 宇

(上海無(wú)線(xiàn)電設(shè)備研究所，上海201109)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備向小型化、輕量化、高性能方向發(fā)展，某產(chǎn)品選用方形扁平無(wú)引腳封裝器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)帶引線(xiàn)的封裝器件。該類(lèi)器件采用四方扁平無(wú)引腳封裝結(jié)構(gòu)，具有較低的引線(xiàn)電阻和自感系數(shù)。由于底部設(shè)計(jì)了較大的散熱焊盤(pán)，芯片具有良好的散熱性能[1]。該類(lèi)封裝形式比較適用于無(wú)線(xiàn)電設(shè)備大功率類(lèi)芯片。

無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的使用環(huán)境溫度范圍寬，最高溫度為60 ℃，最低溫度-40 ℃。產(chǎn)品中運(yùn)用了大量的方形扁平無(wú)引腳封裝器件。該類(lèi)器件體積小、引腳小、引腳間距小，有必要針對(duì)方形扁平無(wú)引腳封裝器件在大溫差環(huán)境下使用工況，開(kāi)展焊點(diǎn)長(zhǎng)期可靠性研究。

1 器件概述

該器件為表面貼裝器件，采用QFN 封裝，外形尺寸：3 mm×3mm×1 mm。器件共有17個(gè)底部引腳，如圖1所示。

圖1 器件外形

圖1中，器件的引腳間最小間距為0.2 mm。生產(chǎn)中使用高精密度激光模板進(jìn)行焊膏刷印，采用成熟的回流焊工藝。

2 熱應(yīng)力仿真分析

無(wú)線(xiàn)電設(shè)備電路板組件主要由墊板、焊料、電路板、芯片組成，其組成示意圖如圖2所示。

圖2 電路板組件構(gòu)成

圖2中，墊板的材料為黃銅H62，焊料的材料為錫鉛63Sn37Pb，電路板為IsoClad 917，引腳為銅合金銅合金Cu194，塑封為由86.9%的SiO212.8%的環(huán)氧和苯酚樹(shù)脂組成的化合物。

各組成部分的材料性能參數(shù)，如表1所示[2]。

表1 材料性能參數(shù)

表1中，電路板材IsoClad 917為各向異性材料，X、Y、Z三個(gè)方向的熱膨脹系數(shù)均有差異。

錫鉛63Sn37Pb焊料的彈性模量和泊松比，如表2所示。

表2 焊料的力學(xué)特性

表2中，焊料隨著溫度的變化，相應(yīng)的彈性模型和泊松比也有一定的變化。為了考慮錫鉛63Sn37Pb焊料的蠕變特性，熱力學(xué)仿真中建立Anand本構(gòu)模型參數(shù)，如表3所示[3]。

本構(gòu)方程有九個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，能夠比較準(zhǔn)確的描述錫鉛63Sn37Pb焊料的蠕變特性。

由于電路板組件中存在不同的材料，各材料的熱膨脹系數(shù)不一致，在變化的溫度場(chǎng)下(-40℃～+60℃)，組件產(chǎn)生熱變形，如圖3所示。

圖3中，隨著溫度變化，組件將發(fā)生翹曲變形。焊點(diǎn)作為連接微帶板和器件引腳之間的材料，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。

表3 焊料的Anand本構(gòu)模型參數(shù)

圖3 組件熱變形

利用有限元軟件Workbench，對(duì)器件焊點(diǎn)進(jìn)行高溫60 ℃熱應(yīng)力仿真，計(jì)算焊點(diǎn)熱應(yīng)力如圖4所示。

圖4 高溫下焊點(diǎn)熱應(yīng)力

圖4中，焊點(diǎn)處最大馮米斯應(yīng)力為13.6 MPa，小于焊料許用強(qiáng)度41 MPa。

對(duì)器件焊點(diǎn)進(jìn)行低溫-40 ℃熱應(yīng)力仿真，計(jì)算器件焊點(diǎn)的熱應(yīng)力如圖5所示。

圖5 低溫下焊點(diǎn)熱應(yīng)力

圖5 中，焊點(diǎn)處最大馮米斯應(yīng)力為34.5 MPa，小于焊料許用強(qiáng)度41 MPa。

經(jīng)分析對(duì)比可知，器件引腳焊點(diǎn)在高低溫下的應(yīng)力情況如下：

a)焊點(diǎn)在高溫60 ℃時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變較小，密斯應(yīng)力為13.6 MPa。

b)焊點(diǎn)在低溫-40 ℃時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變最大，密斯應(yīng)力為34.5 MPa，接近焊料的許用強(qiáng)度;

由于低溫-40 ℃時(shí)，焊點(diǎn)應(yīng)變最大。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，要確保錫鉛63Sn37Pb焊點(diǎn)長(zhǎng)期可靠，焊點(diǎn)的熱應(yīng)力不應(yīng)大于2.75 MPa。根據(jù)對(duì)失效器件的有限元分析，失效焊點(diǎn)的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)要求，存在長(zhǎng)期使用風(fēng)險(xiǎn)。

3 優(yōu)化措施

焊點(diǎn)的應(yīng)力主要由以下因素決定：

a)使用溫度范圍;

b)電路板、芯片、焊料熱膨脹系數(shù)的匹配情況;

c)焊點(diǎn)的高度、形狀。

經(jīng)綜合分析成本、成熟度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，采取優(yōu)化電路板熱膨脹系數(shù)的方案，達(dá)到芯片與電路板的熱膨脹系數(shù)匹配的目的，減少焊點(diǎn)熱應(yīng)力。

標(biāo)準(zhǔn)IPC-7093-CN《底部端子元器件設(shè)計(jì)和組裝工藝實(shí)施》指出“CTE 合理調(diào)整包括選擇PCB或元器件的材料或材料組合來(lái)達(dá)到最佳CTE設(shè)計(jì)：對(duì)于耗散功率的主動(dòng)元器件，最佳DCTE(CTE設(shè)計(jì))是(1～3)ppm/℃(取決于耗散的功率)，同時(shí)印制板具有較大CTE;對(duì)被動(dòng)元器件來(lái)說(shuō)，最佳DCTE 為0 ppm/°C。當(dāng)然，由于組件有多種元器件，全面CTE最佳化不可能對(duì)所有元器件都達(dá)成”。

羅杰斯4350B 電路板的熱膨脹系數(shù)(X10 Y12 Z31)與器件塑料封裝的膨脹系數(shù)十分匹 配，X 方 向 相 差3 ppm/℃，Y 方 向 相 差1 ppm/℃，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)IPC-7093-CN《底部端子元器件設(shè)計(jì)和組裝工藝實(shí)施》的要求。因此，開(kāi)展選材優(yōu)化，選用4350B材料制作電路板。經(jīng)熱應(yīng)力仿真分析，焊點(diǎn)的最大熱應(yīng)力為2.35 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)產(chǎn)品的特性和環(huán)境試驗(yàn)要求，參考IPCSM-785《表面貼裝焊接連接加速可靠性測(cè)試指南》，開(kāi)展優(yōu)化措施的驗(yàn)證。

選取十套優(yōu)化狀態(tài)的電路板組件，依次開(kāi)展應(yīng)力篩選、加速可靠性測(cè)試和例行試驗(yàn)。應(yīng)力篩選主要包括溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)，確保焊點(diǎn)制造合格。合格的焊點(diǎn)，才具備開(kāi)展加速可靠性測(cè)試。

加速度試驗(yàn)條件根據(jù)設(shè)備的使用類(lèi)型、最嚴(yán)酷的使用環(huán)境、典型的服務(wù)壽命和大約可接受的失效率確定。

加速可靠性測(cè)試的試驗(yàn)條件：

a)溫度循環(huán)范圍為-40 ℃～+60 ℃;

b)溫度上升和下降速度為15 ℃/min;

c)高溫和低溫分別保持30 min。

d)每隔100個(gè)循環(huán)，觀(guān)察焊點(diǎn)外貌，并進(jìn)行通電功能測(cè)試;

e)1 000次溫循后，開(kāi)展例行試驗(yàn)。

隨機(jī)抽取一套產(chǎn)品，開(kāi)展例行試驗(yàn)，主要包含高溫工作試驗(yàn)、低溫工作試驗(yàn)、高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、加速度試驗(yàn)、發(fā)射沖擊試驗(yàn)、基本沖擊試驗(yàn)、公路運(yùn)輸試驗(yàn)、自主飛試驗(yàn)和濕熱試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)例行試驗(yàn)后的焊點(diǎn)外觀(guān)光滑、飽滿(mǎn)，未見(jiàn)裂紋。電路板組件經(jīng)加電測(cè)試，功能正常。

5 結(jié)論

底部端子封裝器件焊點(diǎn)通過(guò)有限元仿真獲取焊點(diǎn)熱應(yīng)力。通過(guò)選用與器件熱膨脹系數(shù)匹配的電路板，可有效降低溫度循環(huán)過(guò)程中焊點(diǎn)的熱應(yīng)力。優(yōu)化后的產(chǎn)品經(jīng)應(yīng)力篩選、加速可靠性試驗(yàn)和例行試驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足使用要求。