吳畏

【摘 要】雙通道數(shù)字電源是目前機械與設備生產(chǎn)中較常使用的裝置，它既能夠根據(jù)設備需求調(diào)控電流的供應參數(shù)，同時憑借雙通道的優(yōu)勢，也能夠使供電穩(wěn)定性得以增強。此種功能主要與電源內(nèi)部芯片有關，而封裝作為固定芯片最重要的操作步驟，若是在結(jié)構(gòu)應力方面出現(xiàn)問題，則勢必會影響芯片安裝的質(zhì)量。所以，為使雙通道數(shù)字電源質(zhì)量得以保障，必須對封裝結(jié)構(gòu)應力給予重視，確保焊橋設計與結(jié)構(gòu)形式得以優(yōu)化，才能為后續(xù)產(chǎn)品市場的拓展奠定更扎實的基礎。

【關鍵詞】雙通道數(shù)字電源;開關封裝;結(jié)構(gòu)應力;優(yōu)化分析

中圖分類號： TN86;F416.63 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0054-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.026

根據(jù)某公司調(diào)查資料可知，為滿足產(chǎn)品市場業(yè)務得以持續(xù)拓展的需求，并鞏固公司在電子器件領域市場競爭地位，目前事業(yè)單位結(jié)合市場發(fā)展環(huán)境，對雙通道數(shù)字電源開關產(chǎn)品的生產(chǎn)提出了更嚴格的要求，在原有功能性的前提下，也對產(chǎn)品的尺寸、集成度、密度提出了較高的要求，而若是仍舊沿用傳統(tǒng)的焊橋平面搭接，則勢必會造成產(chǎn)品厚度較高且開關結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等情況，因此現(xiàn)階段主要選用了切割型焊橋設計，以便焊接質(zhì)量得以保障。

1 應力模擬設計

封裝是將繼承電路裝配為芯片的收尾工作，更詳細的講便是將繼承電路的裸片放置于某塊具備承載功能的基板，而后將管腳引出并固定，以便使雙通道數(shù)字電源開關成為整體。結(jié)合以往資料可知，封裝過程主要包含了安放、固定、密封及引線等環(huán)節(jié)，而芯片安裝對精密性要求較高，若是封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生晃動或偏移等情況，則極易對產(chǎn)品的質(zhì)量造成極為嚴重的影響，因此在應力模擬設計過程中，管理者便需結(jié)合參數(shù)與以往的設計經(jīng)驗，對現(xiàn)有封裝技術進行研究與分析，才能使雙通道數(shù)字電源開關封裝質(zhì)量的可控性得以增強。

結(jié)合資料可知，某公司事業(yè)部門對目前產(chǎn)品提出了高密度、薄型、多層與集成的產(chǎn)品銷售特點，為達到業(yè)界領先的超薄、超小型封裝要求，設計者最先按照以往設計思路對開關封裝進行研究。其中LDF厚度為0.203mm，條帶尺寸為61.5×227.4mm，鋸街設計為0.33mm，密度為14X12×4=672單元/條，底盤尺寸分為2.00×1.55mm、0.92×1.62mm、0.92×1.62mm，鍍層類型選用PPF。過程中，設計人員需預先規(guī)劃好基板MOS芯片放置部位，而后再將芯片按照布局要求查看觸點是否接觸良好，之后，將芯片與底板焊接，再使用管腳連接好芯片和基板，確認無誤后再將標簽貼在最上端。[1]

上述封裝措施元件總厚度為0.620mm，芯片外包裝為0.80mm。從工藝角度來看，如何更好地控制打線弧高的控制是產(chǎn)品控制厚度與應力結(jié)構(gòu)的要點，若仍舊沿用以往的等效處理方法，則芯片在焊接精度方面或許會出現(xiàn)較小幅度的偏差，雖不會對雙通道數(shù)字電源開關功能造成影響，但勢必會影響到管腳的正常安置。

因此，設計者提出切割型焊橋設計理念，并結(jié)合產(chǎn)品要求擬定了多款焊橋框架作為實驗對象，最終將芯片尺寸規(guī)格定在了50.820×51.080mm，鋸街為0.33mm，密度為1275和2550單元/條。而焊橋上做凸點設計，凸點與芯片用燒結(jié)銀進行焊接，增加了焊點與基板、芯片之間的接觸面積，使得雙通道數(shù)字電源的開關焊橋質(zhì)量得以顯著提升，并在原有基礎上，使封裝厚度顯著降低，滿足了事業(yè)部門的市場戰(zhàn)略需要。

2 封裝結(jié)構(gòu)應力分析

從芯片所選型號與焊橋技術的轉(zhuǎn)變可知，原有封裝結(jié)構(gòu)的厚度與質(zhì)量都產(chǎn)生了較大的變化，若要保持芯片組的穩(wěn)定性，則需要在結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)換后，對現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的應力進行分析，確保應力能夠持續(xù)控制在限值狀態(tài)下。

根據(jù)雙通道數(shù)字電源開關的布置形式與結(jié)構(gòu)特點可知，兩組芯片的安裝具有對稱性，并且封裝措施與元件選用相同，因此為降低模型數(shù)據(jù)的計算量，將選用1/4模型對應力數(shù)據(jù)進行分析。其次，遵循等效應力第四強度的理論，管理人員還需認真核查產(chǎn)品在使用過程中，熱量等因素是否會對材料造成損害，甚至使材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。為了更好且更全面地了解封裝結(jié)構(gòu)狀況，管理人員便需識別應力的大小與分布狀況。[2]

通過結(jié)構(gòu)模型可知，產(chǎn)品封裝管腳一側(cè)應力明顯高于其他處，并且由相關實驗表明，不同材料受熱膨脹系數(shù)的差異性，會使產(chǎn)品封裝熱應力水平提升，并產(chǎn)生較大的形變量，因此在材料膨脹過程中，管腳管給予較大的限制應力，而結(jié)合模型受力環(huán)境可知，受應力影響最明顯的區(qū)域便是焊橋上凸點處與底部接觸位置。此種應力分布情況，主要是因為焊橋作為連接基板與芯片的媒介，也具備彈塑性體的特點，在焊接過程中為避免對芯片結(jié)構(gòu)與單元造成損害，通常會距離中心位置較遠，而在管腳施以壓力時，便不可避免地使芯片材料產(chǎn)生微小形變，此種狀態(tài)下若受熱膨脹系數(shù)等因素影響，則極易使形變量變大，甚至直接超過材料的限值，長此以往勢必會使芯片的質(zhì)量受損。

3 焊橋設計優(yōu)化

雙通道數(shù)字電源開關封裝結(jié)構(gòu)對內(nèi)置芯片散熱的殘余應力影響較大，若是并未結(jié)合產(chǎn)品要求對焊橋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使其塑性約束力得以下降，則勢必會因為材料的熱膨脹性使芯片整體或局部結(jié)構(gòu)承受較大的應力，甚至可能使其內(nèi)部單元造成損害，造成數(shù)字電源的功能性受阻。因此，如何選用適宜的焊橋結(jié)構(gòu)參數(shù)與封裝結(jié)構(gòu)非常重要。

以封裝結(jié)構(gòu)受力最明顯的部位舉例，為降低熱膨脹應力對各處焊球施加作用力，本項目焊球在高度、間距與直徑方面均可作為優(yōu)化參量，借助軟件對上述參量進行調(diào)整與深入研究，便能夠使產(chǎn)品內(nèi)部應力影響得以顯著降低。過程中，可選用正交試驗設計方法，對各類因素進行排列，列舉各項參數(shù)的數(shù)值，并在參量變化期間，認真觀察產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)應力變化的規(guī)律與特點，并做好各項數(shù)據(jù)的記錄工作，以便找尋到更適宜的優(yōu)化參數(shù)。[3]

但結(jié)合設計資料來看，不論參量如何變化，封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大應力均停留在外邊緣及接觸點位。因此，以二者作為影響要素，并結(jié)合正交實驗表分別列舉出不同焊橋高度、間距與直徑中最大應力的數(shù)值，而后從中選擇最適宜的焊橋數(shù)據(jù)，便能使封裝質(zhì)量得以增強。

而整體封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，則可以選擇以下三種方法：

1）直接優(yōu)化法：在不考慮減薄封裝體厚度情況下，通過利用工程軟件對目標變量進行直接優(yōu)化。通過利用通用的零階優(yōu)化方法選取十個以上影響因子當作設計變量，其取值應符合封裝標準要求。

2）固定因子優(yōu)化法：根據(jù)前文分析結(jié)果及直接優(yōu)化固定在相應水平，并以其他八個影響因子對目標量進行再一次應力優(yōu)化。

3）固定因子優(yōu)化封裝高度法：通過總結(jié)分析結(jié)果，在以降低封裝高度為目標函數(shù)基礎上，將固定在不同水平可以保障凸點處持續(xù)處于較低的應力水平，再有就是講密封劑高度作為目標變量，保障芯片表明上密封劑厚度符合工藝要求。

4 實驗驗證

試驗指標是試驗研究過程的因變量，在試驗中根據(jù)試驗目的而確定的衡量試驗結(jié)果的特征量稱為試驗指標。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)失效主要表現(xiàn)為芯片開裂、封裝體翹曲兩種，分層則是其中主要的失效表現(xiàn)，進而再導致后續(xù)的電性失效。在本問題中可選定芯片上第一主應力極大值、黏合劑上剪切應力極大值、封裝體上下表面高度差為試驗指標。其次，還需判斷影響試驗結(jié)果的影響要素，確保將每項要素納入正交試驗的考慮范疇之內(nèi)，判斷會對雙通道數(shù)字電源封裝結(jié)構(gòu)帶來的影響，并對參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，才能使實驗驗證的結(jié)果更加屬實。

基于實驗驗證的要求，本此實驗選用最為直觀的正交極差分析法，以便正交實驗的結(jié)果更便于識別，因此尋求最適宜的生產(chǎn)環(huán)境、加工工藝和材料配備。其次，為使各項試驗參數(shù)更具可比性，在得出各項數(shù)據(jù)后，需列舉平均數(shù)值，將各組因素標注，并根據(jù)極差的大小明確因素的主次影響順序，才能在選擇焊橋方案時，更好把控各項影響要素。最后，結(jié)合每組試驗的特點，設計者需篩選出各組最優(yōu)的組合方案，并分別與原有方案進行核對，分析焊橋處應力的特點與確切數(shù)值，以便查看哪組焊橋方案最具優(yōu)勢，而后再選取數(shù)個最具優(yōu)勢的方案，分析其平均值的高低，以便更好地鞏固實驗結(jié)果。[4]

結(jié)合上述實驗資料及結(jié)果可知，隨著焊球的高度、間距與直徑的不斷增大，外側(cè)拐角與接觸點的最大等效應力在不斷減小，因此有理由認為隨著焊球高度的提升，會使周圍的填充物增多，由此借由填充物可有效降低應力的傳導，使封裝受力得到緩沖，而焊球膨脹系數(shù)高于填充物，中間層的熱膨脹系數(shù)勢必會下降，而焊球與底部接觸點系數(shù)差值也會減小，由此整體結(jié)構(gòu)應力指數(shù)也會降低。應力之所以隨著焊球間距的增大而減小，是因為隨著焊球間距的增大，中間層等效熱膨脹系數(shù)減小，所以中間層與底部接觸位置熱膨脹系數(shù)差減小，致使焊球外側(cè)拐角與底部接觸位置的最大等效應力不斷減小。而應力之所以隨著焊球直徑的增大而減小，是因為隨著焊球直徑增大，焊球個數(shù)相應減小，在選定參數(shù)范圍內(nèi)使得整體中間層銅的比例減小，導致中間層等效熱膨脹系數(shù)減小，而使焊球外側(cè)拐角與底部接觸位置的最大等效應力不斷減小。因此，在面對事業(yè)部門對雙通道數(shù)字電源開關產(chǎn)品提出的要求時，設計人員需站在更客觀的角度，以更真實的數(shù)據(jù)，將焊球高度、間距及直徑的影響，將殘余應力作為憑據(jù)，選擇更適宜的檔案，確保產(chǎn)品功能性得以保障，才能在原有基礎上持續(xù)變薄、變小，使公司產(chǎn)品在經(jīng)濟市場中的地位得以鞏固。

5 結(jié)論

雙通道數(shù)字電源開關產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不但能夠在原有芯片焊橋垂直堆疊工藝基礎上提供密度更高、制片更薄、層數(shù)更多且功能高度集成的產(chǎn)品，使此類產(chǎn)品在經(jīng)濟市場中的地位得到鞏固，同時憑借且切割型焊橋的設計實驗，也更便于調(diào)節(jié)封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應力，避免因為熱膨脹等元素影響，使產(chǎn)品質(zhì)量受損。故而，在論述雙通道數(shù)字電源開關封裝結(jié)構(gòu)應力及優(yōu)化分析期間，必須明確影響封裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要素，并能夠在技術可控的基礎上改善現(xiàn)有封裝技術，才能使產(chǎn)品的質(zhì)量得到更多企業(yè)及用戶的認可，使公司的市場地位得以鞏固。

【參考文獻】

[1]江偉，王麗鳳.三維封裝銅柱應力及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].焊接學報，2017（3）.

[2]楊蕊萌，盧曉芹，許柳青.NCS38氣密封鉆桿接頭應力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].石油機械，2017（2）.

[3]硅基光柵耦合封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計[J].激光技術，2017（4）.

[4]徐達，白銳，常青松，etal.新型3D射頻封裝結(jié)構(gòu)的可靠性模擬研究[J].電子元件與材料，2017（3）.

[5]金國君，徐愷，檀珺，etal.具有超低反射率的折射率漸變封裝結(jié)構(gòu)[J].光學學報，2019，39（2）.