CQFP器件板級(jí)溫循可靠性的設(shè)計(jì)與仿真

李宗亞，仝良玉，李 耀，蔣長順

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

CQFP器件板級(jí)溫循可靠性的設(shè)計(jì)與仿真

李宗亞，仝良玉，李 耀，蔣長順

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

溫度循環(huán)是考核封裝產(chǎn)品板級(jí)可靠性的重要試驗(yàn)之一。陶瓷四邊引腳扁平封裝（CQFP）適用于表面貼裝，由于陶瓷材料與PCB熱膨脹系數(shù)的差異，溫循過程中引線互聯(lián)部分產(chǎn)生周期性的應(yīng)力應(yīng)變，當(dāng)陶瓷殼體面積較大時(shí)，焊點(diǎn)易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象。CQFP 引線成形方式分頂部成形和底部成形兩類。針對CQFP引線底部成形產(chǎn)品在板級(jí)溫循中出現(xiàn)的焊接層開裂現(xiàn)象，采用有限元方法對焊接層的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測分析。采用二次成形方法對引線進(jìn)行再次成形以緩解和釋放熱失配產(chǎn)生的應(yīng)力。仿真和試驗(yàn)結(jié)果顯示，引線二次成形有利于提高焊接層的溫循疲勞壽命。與引線底部成形相比，當(dāng)引線采用頂部成形時(shí)，焊接層的溫循疲勞壽命顯著提高。

CQFP；熱循環(huán)；板級(jí)可靠性；有限元方法；疲勞壽命

1 前言

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，封裝體的電性能也大大提高。

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。引線起到器件與PCB之間的機(jī)械和電連接作用，是影響器件板級(jí)可靠性的重要環(huán)節(jié)。陶瓷管殼的熱膨脹系數(shù)（約6×10-6℃-1）與PCB的熱膨脹系數(shù)（約15×10-6℃-1）差異較大，由于材料的熱失配，在溫度循環(huán)過程中焊接層會(huì)經(jīng)歷周期性的應(yīng)力應(yīng)變，當(dāng)封裝面積較大時(shí)（一般大于18 mm×18 mm），引線焊接層可能出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象。一般可采用減小材料熱失配的方法提高板級(jí)可靠性，如選擇低熱膨脹系數(shù)的PCB材料，或者增加連接部分的柔順性，以達(dá)到應(yīng)力緩沖的作用[1]。

CQFP器件進(jìn)行板級(jí)安裝時(shí)，引線的成形方式、形狀都可能對板級(jí)可靠性產(chǎn)生影響。本文針對CQFP產(chǎn)品在溫循過程中出現(xiàn)的引線焊接層疲勞失效現(xiàn)象，對引線形狀進(jìn)行二次成形優(yōu)化，并采用有限元方法對比分析了不同引線成形方式、引線形狀對焊接層溫循疲勞壽命的影響。

2 CQFP器件板級(jí)安裝

2.1 CQFP引線成形方式

標(biāo)準(zhǔn)的CQFP引線成形方式如圖1（a）所示，引線采用頂部成形的方式，從陶瓷管殼上側(cè)引出。在某些應(yīng)用場合，為滿足塑料封裝與陶瓷封裝的插拔互換，引線需采用底部成形的方式，如圖1（b）所示。航天元器件成形標(biāo)準(zhǔn)（QJ3171-2003，4.4扁平封裝元器件）[2]對扁平封裝元器件與PCB之間的距離（H）、應(yīng)力緩沖角（θ）、跨距（A）等都做出了要求，如圖2。為滿足成形標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)采用底部成形時(shí)，引線高度受到了限制，引線對于熱失配的緩沖作用降低，與頂部成形相比溫循可靠性降低。

圖1 引線成形方式

圖2 航天標(biāo)準(zhǔn)成形尺寸要求

2.2 CQFP板級(jí)溫循實(shí)驗(yàn)

圖3為一款CQFP176產(chǎn)品外形尺寸圖，引線采用底部成形的方式，管殼面積20 mm×20 mm，引線間距0.5 mm。采用63Sn37Pb焊料進(jìn)行引線與PCB的焊接，印刷網(wǎng)板厚度0.15 mm，PCB為FR4材料，尺寸100 mm×100 mm，厚度2.0 mm。

圖3 CQFP176封裝外形尺寸側(cè)視圖

溫度循環(huán)范圍-55℃~100℃，高/低溫保持時(shí)間15 min，升/降溫時(shí)間15 min，每個(gè)循環(huán)周期1 h，溫變速率約為10 ℃·min-1。溫循100周期后，引線與PCB的焊接層未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，如圖4（a）所示，但溫循至130周期后，在引線根部與焊料焊接界面出現(xiàn)裂紋，如圖4（b）所示。

圖4 溫循過程中引線焊接層狀態(tài)圖

3 引線形狀優(yōu)化及分析

當(dāng)采用底部成形時(shí)，引線長度較短，熱應(yīng)力應(yīng)變無法有效釋放，在溫循過程中很容易出現(xiàn)可靠性問題。Analog Device公司電路A/D轉(zhuǎn)換器AD10200采用CQFP封裝形式，封裝面積24.13 mm×24.13 mm，對引線進(jìn)行了二次成形處理，如圖5所示[3]。成形后的引線總長度增加，且存在兩處折彎角，有利于緩解位移的傳遞，有利于提高器件的抗熱疲勞和抗機(jī)械疲勞性能。借鑒此種引線形狀，對CQFP176引線進(jìn)行二次成形處理，如圖6所示，并將采用有限元方法對比二次成形前后的焊接層疲勞壽命。

圖5 AD10200電路引線二次成形示意圖

同時(shí)，為對比引線的引出方式對器件板級(jí)可靠性的影響，對CQFP176器件進(jìn)行引線的頂部引出，并保證最終的外形滿足航天器件成形標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示，并將進(jìn)一步采用仿真方法對引線頂部成形及底部二次成形的焊接層疲勞壽命進(jìn)行仿真對比[3]。

圖6 CQFP 176電路普通成形與二次成形

圖7 CQFP176器件頂部成形外形尺寸圖

4 仿真結(jié)果及分析

4.1有限元仿真模型

焊接層的溫循疲勞失效屬于低周疲勞失效，對焊接層疲勞壽命預(yù)測多采用基于應(yīng)變范圍的Coff i n-Manson方程[4]。Coff i n-Manson方程將焊點(diǎn)的疲勞壽命與材料熱循環(huán)過程中的非彈性應(yīng)變范圍相關(guān)聯(lián)，其表達(dá)式為：

其中，Nf為熱循環(huán)疲勞失效的次數(shù)；Δεp為非彈性剪切應(yīng)變范圍，它的值是等效塑性應(yīng)變的倍。εf為疲勞遲滯系數(shù)，對于PbSn共熔焊料來說，εf=0.325；c為疲勞滯指數(shù)，其表達(dá)式為：

其中Tsj為溫度循環(huán)的中間溫度（單位℃），tH為高溫保持時(shí)間（單位min）。

圖8 有限元模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)樣品封裝尺寸，在ANSYS中建立三維仿真模型，模型的有限元網(wǎng)格劃分如圖8所示，圖中隱藏了蓋板部分。其中陶瓷基板、引線、PCB及銅焊盤，主要考慮材料的線彈性特性，相應(yīng)的材料參數(shù)如表1所示。

在溫循過程中，PbSn焊料會(huì)發(fā)生塑性形變，且溫度載荷的變化速率等也會(huì)對焊料的塑性應(yīng)變產(chǎn)生影響，目前較多用Anand粘塑性本構(gòu)模型來描述焊料的這一行為[5]。該模型將塑性形變與蠕變統(tǒng)一為粘塑性，通常是由一個(gè)流動(dòng)方程和三個(gè)演變方程描述，仿真中共涉及9個(gè)相關(guān)參數(shù)[6]，63Sn37Pb焊料對應(yīng)的Anand模型參數(shù)如表2所示[7]。一般認(rèn)為3~4個(gè)循環(huán)周期后應(yīng)變范圍趨于穩(wěn)定，本文進(jìn)行4個(gè)循環(huán)周期的仿真。

表1 模型材料參數(shù)

表2 PbSn焊料的Anand模型參數(shù)

4.2底部普通成形及二次成形仿真結(jié)果對比

圖9為普通的底部成形在第四循環(huán)周期高溫保持階段的等效塑性應(yīng)變分布。由圖9可知，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在距離器件中心位置最遠(yuǎn)的邊角處引線焊料層，最大應(yīng)變位置與試驗(yàn)結(jié)果符合。圖10為應(yīng)變最大單元的塑性應(yīng)變曲線，每周期焊接層等效塑性應(yīng)變范圍0.045 4，將此結(jié)果帶入式（1）~（2），可以得到此處焊接層的疲勞壽命為98次。

圖9 普通成形引線焊接層等效塑性應(yīng)變分布

表3為底部普通成形與二次成形的仿真結(jié)果對比情況。采用二次成形后，焊接層的等效應(yīng)變范圍由0.045 4降低到0.033 0，帶入式（1）~（2）可以得到焊接層的溫循疲勞壽命由原來的98次提高到214次，優(yōu)化效果明顯。

圖10 應(yīng)變最大單元等效塑性應(yīng)變曲線

表3 不同引線形狀仿真結(jié)果對比

在實(shí)際應(yīng)用中，某CQFP144產(chǎn)品，管殼面積24.2 mm×24.2 mm，在進(jìn)行-65~150℃的板級(jí)溫循和機(jī)械振動(dòng)疊加試驗(yàn)中，經(jīng)歷8個(gè)循環(huán)周期后，出現(xiàn)焊接層開裂現(xiàn)象，不滿足客戶提出的18個(gè)循環(huán)周期的考核要求。通過對引線進(jìn)行二次成形處理，在疊加實(shí)驗(yàn)中，18個(gè)溫循周期過后，焊接層未出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)品順利通過試驗(yàn)考核。

4.3底部成形及頂部成形仿真結(jié)果對比

為比較不同的引線引出方式對焊接層溫循疲勞壽命的影響，對頂部成形的CQFP176進(jìn)行焊接層的溫循疲勞壽命仿真，并與底部二次成形的結(jié)果進(jìn)行對比分析。圖11為頂部成形器件在第四循環(huán)周期高溫保持階段的等效塑性應(yīng)變分布，表4列出了頂部成形時(shí)，引線焊接層的等效塑性應(yīng)變范圍，并計(jì)算出相應(yīng)的溫循疲勞壽命。由表4可知，頂部成形時(shí)焊接層的溫循疲勞壽命要遠(yuǎn)優(yōu)于底部成形的方式。

圖11 頂部成形引線焊接層等效塑性應(yīng)變分布

表4 不同引線成形方式仿真結(jié)果對比

5 結(jié)論

CQFP器件引線分頂部成形和底部成形兩種方式，當(dāng)陶瓷殼體面積較大時(shí)，采用底部成形方式的引線焊接層在溫循實(shí)驗(yàn)中易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象。仿真與試驗(yàn)結(jié)果顯示，二次成形的方法可以有效提高底部成形類CQFP器件的板級(jí)溫循可靠性。但與底部成形類CQFP器件相比，頂部成形類CQFP器件引線焊接層的疲勞壽命從結(jié)構(gòu)上得到了根本的改善。因此，對于大面積CQFP器件，為保證器件的板級(jí)溫循可靠性，引線應(yīng)盡量避免因插拔互換要求而采用的底部成形方式。

[1] 成鋼. 電路板設(shè)計(jì)中的膨脹系數(shù)匹配問題[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2011, 19（3）: 57- 60.

[2] QJ 3171—2003. 航天電子電氣產(chǎn)品元器件成形技術(shù)要求[s].

[3] http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ AD10200.pdf [EB/OL].

[4] Osterman M, Dasgupta A, Han B. A Strain Range Based Model for Life Assessment of Pb-free SAC Solder Interconnects [C]. 2006 Electronic Components and Technology Conference, 2006: 884-890

[5] Liu CL, Lu ZZ, Xu YL, Yue ZF. Reliability analysis for low cycle fatigue life of the aeronautical engine turbine disc structure under random environment [J]. Materials Science and Engineering, 2005（395）: 218-225.

[6] Amagi M, Nakao M. Ball Grid Array（BGA）Packages with the Copper Core Solder Balls [C]. IEEE Electronic Components and Technonlgy Conference, 1998: 692-701.

[7] 張亮，薛松柏，等. 不同釬料對QFP焊點(diǎn)可靠性影響的有限元分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2007, 28（10）: 45-49.

Design and Simulation of Board Level Reliability for CQFP Device in Thermal Cycling

LI Zongya, TONG Liangyu, LI Yao, JIANG Changshun
（Wuxi ZhongWei Hi-tech Electronics Co.,Ltd.,Wuxi214035,China）

Thermal cycling is an important test for board level reliability analysis of IC packages. Ceramic Quad Flat Package（CQFP）is mostly used for surface mounting applications. Due to the thermal expansion coeff i cient difference, periodic strain and stress occurs on the solder joints which may cause the solder joint fatigue failure when the package area is large. Lead forming could be realized from the upper side or the underside of the ceramic. Solder joint cracking was observed for a CQFP product with lead forming from the downside in thermal cycling, and Finite Element Method（FEM）is used to predict the fatigue life of the solder joint. Lead shape is optimized with the secondary forming method to alleviate the thermal stress. Both the simulation and test results show that the secondary method is effective in improving the board level reliability of CQFP device. When the lead forming starts from the upper side of the ceramic, there is a signif i cant improvement in solder joint fatigue life.

CQFP; thermal cycling; board level reliability; fi nite element method; fatigue life

TN305.94

A

1681-1070（2014）11-0005-04

李宗亞（1966—），男，1988年畢業(yè)于清華大學(xué)，現(xiàn)任無錫中微高科電子有限公司副總經(jīng)理，主要從事封裝工藝技術(shù)、質(zhì)量管理等工作。

2014-08-07