成 鑫，醋強(qiáng)一，劉治虎，王 濱

(西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子元器件的封裝技術(shù)朝著微型化的方向不斷發(fā)展，要求使用輕重量、寬頻、高耐溫性、細(xì)引線間距的封裝形式。方形扁平封裝(QFP)在實(shí)際應(yīng)用中使用廣泛。QFP是外形為正方形或矩形，四邊具有翼形引線的扁平封裝形式[1]。

在QFP封裝中，焊點(diǎn)作為表面貼裝芯片與PCB(printed circuit board)基板之間的連接，起到了電信號(hào)傳遞、散熱、結(jié)構(gòu)加固與支撐等作用，焊點(diǎn)失效將直接導(dǎo)致電子元器件失效，而焊點(diǎn)往往最先失效。以往的研究主要致力于焊點(diǎn)的熱應(yīng)力分布影響[2-5]，根據(jù)美國(guó)空軍電子工業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備失效20%是由于振動(dòng)作用導(dǎo)致的[6]。因此，對(duì)QFP器件在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

QFP封裝中，引線的出線方式主要有三種，分別為從頂部出線、中間出線以及底部出線。隨著元器件國(guó)產(chǎn)化需求日益提高，但元器件廠家對(duì)于引線的出現(xiàn)方式并沒有嚴(yán)格規(guī)定，導(dǎo)致QFP器件的可靠性無(wú)法得到保證。筆者主要工作是采用有限元方法，對(duì)QFP封裝在隨機(jī)振動(dòng)載荷下采用不同的出線方式對(duì)于器件焊點(diǎn)的可靠性的影響進(jìn)行研究，為提高QFP器件可靠性提供指導(dǎo)。

1 有限元模型

文中選擇QFP器件作為研究對(duì)象，其組成結(jié)構(gòu)從上而下包括塑料封裝、引線、焊點(diǎn)銅盤和PCB板五層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 QFP器件結(jié)構(gòu)圖

為了比較不同的引線出線方式對(duì)于QFP器件在承受振動(dòng)載荷時(shí)的應(yīng)力，分別讓引線從頂部、中間以及底部出線建立模型，三種模型中銅盤的尺寸和位置固定，僅改變引線的出線位置。其中，塑料封裝尺寸為24 mm×24 mm×1.5 mm，PCB板尺寸為60 mm×60 mm×2 mm，引線截面寬度為0.2 mm，引線間距為0.635 mm，銅盤厚度為0.05 mm。焊點(diǎn)形狀隨引線底部形狀而變化，如圖2所示。

圖2 引線三種出線方式示意圖

QFP封裝中引線和銅盤使用的材料為Copper Alloy(C19400)，焊點(diǎn)使用的材料為Sn63Pb37。各組成的力學(xué)性能參數(shù)如表1所列。

表1 材料參數(shù)

QFP器件在模型處理時(shí)通過節(jié)點(diǎn)融合的網(wǎng)格處理方式將各個(gè)結(jié)構(gòu)件的接觸面網(wǎng)格協(xié)調(diào)起來。通過PCB板與外部連接，假設(shè)對(duì)PCB板底部四個(gè)角點(diǎn)采用固定約束。

2 模態(tài)分析

振動(dòng)模態(tài)是彈性材料的固有特性。通過模態(tài)分析可以分析結(jié)構(gòu)在此頻段在振源下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。QFP器件引線從頂部出線、中間出線和底部出線的一階振型如圖3所示。

圖3 引線三種出線方式一階振型

從仿真結(jié)果中可以看出，從頂部、中間和底部出線時(shí)，PCB板一階固有頻率分別為：480.69 Hz、477.75 Hz和497.08 Hz。三種引線出線方式對(duì)于PCB板的固有頻率影響較小。

3 隨機(jī)振動(dòng)分析

采用ANSI/VITA47.1[7]標(biāo)準(zhǔn)中的Class V3作為振動(dòng)條件進(jìn)行輸入，振動(dòng)譜如圖4所示。

圖4 隨機(jī)振動(dòng)頻譜圖

使用圖4所示的振動(dòng)條件對(duì)QFP器件進(jìn)行激勵(lì)，由于垂直板面方向(Z向)的振動(dòng)變形最大，對(duì)器件的振動(dòng)損傷最大，因此本文中只考慮振動(dòng)方向?yàn)閆向時(shí)的響應(yīng)。QFP器件引線從頂部出線、中間出線和底部出線的焊點(diǎn)的3σ應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 QFP器件焊點(diǎn)3σ應(yīng)力云圖

從仿真結(jié)果中可以看出，QFP器件引線從頂部出線、中間出線和底部出線的焊點(diǎn)的最大應(yīng)力分別為：12.5 MPa、40.5 MPa和52.5 MPa。焊料疲勞極限為15 MPa，QFP器件引線從頂部出線的焊料最大應(yīng)力小于焊料的疲勞極限處于安全范圍內(nèi)。從中間出線和底部出線的焊料最大應(yīng)力大于焊料的疲勞極限，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效。因此引線從頂部出線的QFP器件是最佳選擇。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電子元器件的封裝技術(shù)朝著微型化的方向不斷發(fā)展，QFP器件在實(shí)際應(yīng)用中使用廣泛。文中采用有限元方法，對(duì)QFP封裝在隨機(jī)振動(dòng)載荷下采用不同的引線出線方式對(duì)于器件焊點(diǎn)的影響進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，引線從頂部出線的QFP器件焊點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)小于從中間出線以和底部出線的QFP器件,且小于焊點(diǎn)的疲勞極限。這一研究為提高QFP器件可靠性提供指導(dǎo)。