明雪飛，王劍峰，張振越

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

0 引言

陶瓷四邊引腳扁平封裝（CQFP）是一種表面安裝型元器件，引線細(xì)、間距小，與傳統(tǒng)的插孔式封裝相比，在很大程度上提高了封裝和組裝的密度[1]，并且具有很高的可靠性，被廣泛地應(yīng)用于軍事和航空航天印制板組裝領(lǐng)域[2-3]。

CQFP產(chǎn)品在使用中，往往要經(jīng)受熱真空、溫度循環(huán)和力學(xué)振動(dòng)/沖擊等惡劣環(huán)境條件的考驗(yàn)。CQFP常用Al2O3陶瓷管殼，引線為柯伐材料，在進(jìn)行板級(jí)組裝時(shí)，常用PbSn焊料進(jìn)行引線與PCB的焊接。由于陶瓷管殼與PCB間的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量等參數(shù)的區(qū)別，導(dǎo)致器件在受到力學(xué)振動(dòng)、溫度循環(huán)等過(guò)程中引線互聯(lián)部分會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變累計(jì)，焊接處易產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致失效。

Analog Device公司的電路A/D轉(zhuǎn)換器AD10200采用CQFP形式，封裝面積為24.13 mm×24.13 mm，對(duì)引線進(jìn)行了二次成形處理，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。借鑒此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，針對(duì)某款CQFP100封裝產(chǎn)品，通過(guò)模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)和溫循疲勞仿真分析，對(duì)比一次成型和二次成型的引線CQFP板級(jí)組裝的抗機(jī)械疲勞和抗熱疲勞性能，評(píng)估兩種結(jié)構(gòu)的板級(jí)組裝可靠性。

圖1 AD10200電路封裝示意圖

1 CQFP100有限元分析熱力學(xué)模型

采用CQFP100封裝器件為有限元計(jì)算對(duì)象，由于CQFP器件的對(duì)稱性，可取其1/4建立有限元模型。一次成型引線CQFP100封裝器件模型如圖2a所示，二次成型引線CQFP100封裝器件模型如圖3a所示。模型由陶瓷管殼（Al2O3）、引線、焊料和PCB板組成，具體的細(xì)節(jié)還包括陶瓷管殼鎢層焊盤(pán)、AgCu焊料和PCB板焊盤(pán)，如圖2b、圖3b所示。

圖2 一次成型引線板級(jí)組裝結(jié)構(gòu)圖

a 二次成型引線板級(jí)組裝模型

圖3 二次成型引線板級(jí)組裝結(jié)構(gòu)圖

相關(guān)材料的參數(shù)如表1所示，焊料PbSn采用粘塑性Anand方程來(lái)描述其力學(xué)性能，如表2所示[4]。其他相關(guān)材料的參數(shù)被認(rèn)為是線彈性的，且不受溫度影響。

表1 模型材料參數(shù)

表2 PbSn焊料的Anand模型參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 模態(tài)仿真分析

分別對(duì)一次成型引線器件與二次成型引線器件進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示，分別對(duì)比一次成型引線模型與二次成型引線模型前6階的固有頻率，如表3所示。從仿真結(jié)果能夠看到前6階的固有頻率一次成型引線模型都高于二次成型引線模型，這表明二次成型引線方式能夠降低器件板級(jí)組裝的剛性。其中，最重要的參考頻率是基頻（第一階頻率）。一次成型的基頻為33 671 Hz，二次成型后的基頻降為13 793 Hz，降低了59%，這表明引腳的柔性有較大的提高，這將有助于提高焊點(diǎn)的抗疲勞壽命。

表3 模態(tài)結(jié)果對(duì)比

圖4 模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

2.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)如表4所示，在20～80 Hz頻率范圍內(nèi)，功率譜密度為+3 dB/oct；在80～350 Hz頻率范圍內(nèi)，功率譜密度為0.04 g2/Hz；在350～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)，功率譜密度為-3 dB/oct。

表4 隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)條件

從圖5中可以看出，一次成型引線器件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在引線頂端與AgCu焊料接觸的區(qū)域。如圖6所示，二次成型引線器件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在引線二次折彎處；二次成型后，最大應(yīng)力點(diǎn)從引線頂端與焊料接觸區(qū)域轉(zhuǎn)移至引線二次折彎處，在隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中能夠很好地提高焊接處的抗機(jī)械疲勞壽命。

圖5 一次成型引線器件應(yīng)力分布圖

圖6 二次成型引線模型應(yīng)力分布圖

2.3 溫度循環(huán)焊接疲勞壽命分析

焊接層的溫循疲勞失效屬于低周疲勞失效，對(duì)焊接層疲勞壽命預(yù)測(cè)多采用基于應(yīng)變范圍的Coffin-Manson方程[5]。Coffin-Manson方程將焊點(diǎn)的疲勞壽命與材料熱循環(huán)過(guò)程中的非彈性應(yīng)變范圍相關(guān)聯(lián)，其表達(dá)式為：

式（1）中：Nf——溫循疲勞失效次數(shù)；

Δεp——非彈性剪切應(yīng)變范圍，它的值是等效塑性應(yīng)變的倍；

εf——疲勞遲延系數(shù)，對(duì)于共晶焊料，εf=0.325；

c——疲勞滯指數(shù)，其數(shù)值與溫度循環(huán)條件相關(guān)，按照溫度循環(huán)條件計(jì)算c為-0.425 3。

溫度加載采用交變溫度載荷：溫度范圍為-45～80℃，升/降溫速率為5℃/min，高溫保持時(shí)間為2 h（包括升溫過(guò)程），低溫保持時(shí)間為2 h（包括降溫時(shí)間），溫度曲線如圖7所示。

圖7 溫度加載曲線

引線互聯(lián)的最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在低溫保持階段，一次成型和二次成型引線模型的等效塑性應(yīng)變分布云圖分別如圖8和圖9所示，兩種引線模型的最大塑性應(yīng)變都出現(xiàn)在靠近邊角處的焊料外側(cè)。

圖8 一次成型引線模型等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖9 二次成型引線模型等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

一次成型與二次成型引線器件關(guān)鍵焊料處的塑性應(yīng)變變化曲線如圖10所示，其中一次成型引線模型第三個(gè)溫度循環(huán)周期內(nèi)的等效塑性應(yīng)變范圍△ε=0.025 785；二次成型引線模型第三個(gè)溫度循環(huán)周期內(nèi)的等效塑性應(yīng)變范圍△ε=0.023 739。

圖10 等效塑性應(yīng)變變化曲線

采用改進(jìn)的Coffin-Manson方程對(duì)焊點(diǎn)的溫循疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，分別將一次成型和二次成型引線器件第三個(gè)溫度循環(huán)周期內(nèi)的等效塑性應(yīng)變△ε帶入公式（1）中，計(jì)算得到的疲勞壽命如表5所示。

表5 兩種成型方式板級(jí)組裝壽命對(duì)比

根據(jù)仿真結(jié)果， CQFP100一次成型引線焊接處的溫循疲勞壽命為271次，二次成型引線焊接處的溫循疲勞壽命為329次。二次成型的方法能夠有效地提高CQFP器件的板級(jí)溫循可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一次和二次成型引線的CQFP100封裝進(jìn)行了模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)和溫度循環(huán)下疲勞壽命仿真分析。通過(guò)模態(tài)分析可以看出，一次成型的基頻為33 671 Hz，二次成型后的基頻相比一次成型的基頻降低59%，表明引腳的柔性有較大的提高，有助于提高焊點(diǎn)的抗疲勞壽命。通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)，相比于一次成型器件的最大應(yīng)力在焊料接觸區(qū)域，二次成型引線器件的最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移至引線二次折彎處，降低了焊料區(qū)域的壓力，增大了焊接區(qū)域抗機(jī)械疲勞性能，提高了板級(jí)組裝的可靠性。通過(guò)溫循焊點(diǎn)疲勞分析可以發(fā)現(xiàn)，二次成型引線可以降低每個(gè)溫循周期的等效塑性應(yīng)變，從而提高溫循壽命和板級(jí)組裝后的可靠性。