星載電路DSP芯片引腳斷裂分析及改進(jìn)

楊哲輝，劉云猛，王一博

(1.中科院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083;2.上?？萍即髮W(xué)，上海 201210)

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星載電路DSP芯片引腳斷裂分析及改進(jìn)

楊哲輝1,2，劉云猛1，王一博1

(1.中科院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083;2.上?？萍即髮W(xué)，上海 201210)

在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中星載儀器電路板上的DSP芯片的引腳發(fā)生斷裂，經(jīng)再次試驗(yàn)該現(xiàn)象得到復(fù)現(xiàn)。通過(guò)引腳斷口形貌分析、能譜成分分析、電裝工藝排查以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析等，確定引腳斷裂的性質(zhì)和原因。結(jié)果表明：該芯片引腳斷裂屬于疲勞斷裂，隨機(jī)振動(dòng)中引腳受到過(guò)大的交變應(yīng)力是導(dǎo)致引腳疲勞斷裂的主要原因。借助力學(xué)仿真分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上采取了加固措施，改進(jìn)設(shè)計(jì)后電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及DSP芯片通過(guò)了驗(yàn)證試驗(yàn)考核。

引腳斷裂；隨機(jī)振動(dòng)；DSP芯片；疲勞

0 引言

工程材料與結(jié)構(gòu)的失效分析涉及的學(xué)科和技術(shù)種類(lèi)極為廣泛，包括化學(xué)、材料、機(jī)械、力學(xué)、摩擦等學(xué)科[1-2]。DSP芯片是航天領(lǐng)域的常用器件，芯片的可靠性關(guān)系到星載儀器信息處理功能的實(shí)現(xiàn)，其中芯片引腳斷裂是DSP芯片失效的一個(gè)重要原因，對(duì)其進(jìn)行失效分析有助于提高DSP芯片的可靠性。芯片引腳的受力特性有其結(jié)構(gòu)上的固有特性，而不同的設(shè)計(jì)布局、安裝工藝以及輔助措施會(huì)影響芯片的力學(xué)性能[3-5]。國(guó)內(nèi)開(kāi)展的相關(guān)研究大多數(shù)結(jié)合工程應(yīng)用開(kāi)展。李朔等對(duì)某類(lèi)電容引腳斷裂的分析和改進(jìn)做了研究，通過(guò)斷口分析判斷斷裂類(lèi)型，采取了改進(jìn)膠環(huán)粘結(jié)和更改裝配工序進(jìn)行改進(jìn)[6]。焦超鋒等則通過(guò)分析對(duì)印制板與模塊冷板的翹曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力，從而采取改進(jìn)兩板黏貼方法等方式減小翹曲變形從而防止引腳斷裂[7]。林建平等對(duì)星載電路板引腳斷裂采取了單一的有限元分析方法，用MSC/Nastran軟件進(jìn)行模態(tài)分析從而判斷引腳斷裂原因，并通過(guò)增加加強(qiáng)框防止引腳斷裂[8]。

星載儀器電路箱在研制過(guò)程中，為考核其整體結(jié)構(gòu)以及器件的可靠性，按要求進(jìn)行了大量級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)(總均方根加速度為12.04 grms)，在試驗(yàn)過(guò)程中一個(gè)插槽方式安裝的電路板(圖1)上的2個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的DSP芯片均發(fā)生了引腳斷裂(圖2)，斷裂引腳共4根，檢查發(fā)現(xiàn)斷裂位置在芯片對(duì)角線的引腳位置。

針對(duì)上述發(fā)生的問(wèn)題，將斷裂的引腳通過(guò)焊接恢復(fù)后，通電測(cè)試顯示通信正常，表明芯片內(nèi)部沒(méi)有受到振動(dòng)損壞，只是引腳發(fā)生了斷裂。為了復(fù)現(xiàn)上述現(xiàn)象，更換新的芯片再次進(jìn)行相同條件下振動(dòng)試驗(yàn)，同樣是對(duì)角線位置發(fā)生了引腳斷裂。本研究針對(duì)該引腳斷裂的問(wèn)題，從工程分析角度，在斷口形貌、能譜、力學(xué)仿真、工藝等方面展開(kāi)分析和定位，采取加固補(bǔ)償措施并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。利用有限元軟件建立引腳的有限元模型，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 引腳斷裂的電路板及其安裝位置

圖2 芯片引腳斷裂實(shí)物圖

1 原因分析

1.1 安裝狀態(tài)

電路板以插槽方式安裝，2個(gè)DSP芯片左右對(duì)稱(chēng)分布的電路上，靠近壓條位置，通過(guò)壓條固定在電路箱結(jié)構(gòu)側(cè)板上，在試驗(yàn)過(guò)程中未對(duì)電路板兩側(cè)邊采取邊框加強(qiáng)。

1.2 斷口形貌分析

宏觀檢查斷裂點(diǎn)在引腳與芯片表面接觸的靠近根部位置，非焊點(diǎn)斷裂。采用掃描電子顯微鏡觀察斷口特征，圖3為斷裂引腳的斷口形貌SEM照片，能夠看出斷裂面的疲勞源區(qū)、疲勞條帶以及瞬斷區(qū)等疲勞斷裂一般特征，而疲勞條帶占滿了大部分?jǐn)嗫?，從斷口一角向外部擴(kuò)展，表明該引腳斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程。通過(guò)分析比較2個(gè)被檢測(cè)的斷裂引腳試樣，斷裂的特征表現(xiàn)情況基本一致，所以認(rèn)為該引腳斷裂屬于疲勞斷裂。

斷口A區(qū)，平坦細(xì)密，光亮是疲勞源區(qū)，是斷裂面對(duì)磨造成的；B區(qū)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，具有許多疲勞條帶；C區(qū)為瞬斷區(qū)，呈現(xiàn)較粗糙的顆粒狀，有靜載斷口的形貌(圖3b)。以上特征反映疲勞斷裂特征。

圖3 斷裂引腳的斷口形貌

1.3 能譜分析

選取引腳斷面的中間位置進(jìn)行成分EDS分析，結(jié)果如表1所示。

表1 引腳化學(xué)成分分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)的鐵鎳鈷合金4J29的成分[10-11]，基本可以確定材料為4J29合金，表面為鍍金處理，斷口已有部分氧化。經(jīng)測(cè)試，該引腳材料的抗拉強(qiáng)度為570 MPa，硬度為HV 170。

1.4 力學(xué)模擬分析

為了進(jìn)一步分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，需要對(duì)電控箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，確定芯片在振動(dòng)過(guò)程中的受力情況。對(duì)線路箱及電路板整體進(jìn)行三維建模，劃分網(wǎng)格單元：PCB板為殼單元，主要器件、接插件及其余結(jié)構(gòu)等為實(shí)體單元，DSP芯片引腳等效簡(jiǎn)化為32個(gè)。材料屬性：PCB板為FR-4，插座等為PTFE，結(jié)構(gòu)及其余器件為鋁合金材料，電路板在固定方式上與實(shí)際使用狀態(tài)相同，兩側(cè)邊都處于無(wú)約束狀態(tài)，處于插槽中，通過(guò)壓條和接插件固定。

按以上邊界條件設(shè)置使用有限元軟件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，其輸入條件線路箱底板位置總均方根為12.04 grms。仿真分析結(jié)果：電路板一階模態(tài)頻率為122 Hz，除固定約束位置應(yīng)力集中外，在整個(gè)PCB板的應(yīng)力分布圖上，PCB板3個(gè)方向的應(yīng)力均小于12 MPa。但對(duì)于芯片引腳的應(yīng)力情況，x方向(沿PCB板短邊方向)最大應(yīng)力約為214 MPa，y方向(沿PCB板長(zhǎng)邊方向)為216 MPa，z方向?yàn)?7.2 MPa，最大應(yīng)力集中在芯片斜對(duì)角線位置。圖4為最大y向引腳應(yīng)力分布圖。

圖4 y向引腳應(yīng)力分布

對(duì)電路板在隨機(jī)振動(dòng)下的加速度響應(yīng)情況進(jìn)行仿真，DSP引腳位置y向加速度響應(yīng)為48.7 g，相對(duì)于線路箱底板位置放大了4倍。

綜合以上分析結(jié)果，引腳的峰值應(yīng)力沒(méi)有超出材料的強(qiáng)度極限570 MPa卻發(fā)生斷裂，因此該斷裂不屬于過(guò)載破壞，結(jié)合斷口形貌，推斷出現(xiàn)了疲勞破壞。PCB板處于插槽中的兩翼振動(dòng)時(shí)響應(yīng)較大，使得PCB板來(lái)回?cái)[動(dòng)，這樣引腳在隨機(jī)振動(dòng)中承受反復(fù)的交變應(yīng)力，逐漸累積損傷，致使疲勞破壞。引腳斷裂主要由y方向應(yīng)力引起，仿真結(jié)果最大應(yīng)力集中在DSP芯片斜對(duì)角線引腳位置，該位置斷裂機(jī)率最大，這與實(shí)際振動(dòng)情況吻合。

1.5 工藝檢查

DSP芯片采用表面貼裝，將引腳焊在PCB板表面，芯片底面與PCB板保留約0.15 mm間隙，填充一層硅橡膠，芯片四周也用硅橡膠固定。在芯片安裝前先固定壓條、接插件，然后再焊接引腳。電裝完成后整個(gè)電路板經(jīng)過(guò)高低溫試驗(yàn)的考核，引腳斷裂位置靠近引腳和芯片連接點(diǎn)，不是引腳和PCB板上焊盤(pán)的連接點(diǎn)。因此從裝配過(guò)程來(lái)看符合工藝規(guī)范。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)

DSP芯片引腳斷裂現(xiàn)象經(jīng)過(guò)了隨機(jī)振動(dòng)再次試驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)，針對(duì)分析結(jié)果的薄弱環(huán)節(jié)，下面主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝角度考慮，來(lái)加強(qiáng)電路板整體剛度，減小隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力影響。

電路板的整體力學(xué)性能由電路板本身的固有特性、壓條結(jié)構(gòu)剛度、線路箱的插槽間隙、電路板在插槽中的深度等因素決定[8,12]。在不改變?cè)性O(shè)計(jì)和布局情況下，如不改變插槽間隙、插槽深度、PCB板尺寸、器件位置等，本文主要采用加固邊框設(shè)計(jì)來(lái)解決此問(wèn)題?？紤]結(jié)構(gòu)輕量化，加固邊框使用輕質(zhì)材料鎂合金，設(shè)計(jì)并比對(duì)幾種結(jié)構(gòu)形式[9](圖5)，直接在原電路板上加固，首先對(duì)幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元仿真分析。

安裝特點(diǎn)四周固定，中間的孔位用于輔助支撐，通過(guò)墊塊連接到PCB板。仿真結(jié)果：若不使用輔助支撐時(shí)，日字型結(jié)構(gòu)、田字形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率分別為181、238、241 Hz；對(duì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加1個(gè)輔助支撐時(shí)，其模態(tài)頻率變?yōu)?09 Hz，增加輔助支撐有助于提高整體模態(tài)頻率。

圖5 不同加固結(jié)構(gòu)形式

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)1：使用田字型邊框結(jié)構(gòu)，PCB板上安裝1個(gè)完好的DSP芯片和1個(gè)DSP芯片模擬件，位置布局相同，芯片安裝后位置參考圖1所示。硅橡膠固封，中間輔助支撐，線路箱參加隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，3個(gè)方向完成后，查看DSP芯片引腳，仍有1個(gè)引腳斷裂，說(shuō)明實(shí)施此加固邊框后通不過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)的考核。

驗(yàn)證試驗(yàn)2：使用網(wǎng)狀邊框結(jié)構(gòu)，PCB板上安裝2個(gè)完好的DSP芯片，硅橡膠固封，中間孔膠封輔助支撐，3個(gè)方向振動(dòng)完成后，查看DSP引腳外觀完好，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，電路通電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果也正常。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明采取此結(jié)構(gòu)通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)考核。針對(duì)網(wǎng)狀邊框結(jié)構(gòu)進(jìn)一步作隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，芯片引腳的y向最大應(yīng)力為117 MPa，相對(duì)加固前減小了45%。此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于正式電路的加固。

3 結(jié)論

1) 電路板上DSP芯片引腳斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；

2) 隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中芯片引腳受到較大的振動(dòng)交變應(yīng)力是斷裂的主要原因，芯片重量及隨電路板一起振動(dòng)產(chǎn)生的加速度作用在引腳上產(chǎn)生了交變應(yīng)力；

3) 在原電路板上采取邊框整體加固措施，并完善了相關(guān)工藝，通過(guò)了力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證。這對(duì)解決此類(lèi)DSP芯片引腳斷裂相關(guān)問(wèn)題和預(yù)防有指導(dǎo)意義。

[1] 劉高航,劉光明. 工程材料與結(jié)構(gòu)的失效及失效分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2006,1(1):6-9.

[2] 程卓,遇今,郭涇平,等. 航天器共因失效分析與預(yù)防初探[J]. 航天器工程,2010,19(6):121-125.

[3] 布魯克斯 C R,考霍萊 A. 工程材料的失效分析[M]. 謝斐娟,孫家驤,譯. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:230-260.

[4] 何新鵬. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的芯片引腳檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2011:60-62.

[5] 高玉魁. 疲勞斷裂失效分析與表面強(qiáng)化預(yù)防[J]. 金屬加工:熱加工,2008(17):26-28.

[6] 李朔,王得宇,苗蓉麗. 高壓電容引腳斷裂失效分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2010,5(1):56-59.

[7] 焦超鋒,任康,姜紅明,等. 通孔元器件引腳斷裂分析[J]. 電子機(jī)械工程,2011,27(1):15-18.

[8] 林建平,張明,黃健,等. 星載電路板引腳斷裂問(wèn)題的分析和解決[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2006,4(4):428-432.

[9] 張利民,王文平,房杰. 電容引腳疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估及改進(jìn)方法[C]. 2015中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2015,2:4.

[10] 魏振偉,周靜怡,劉昌奎. 電連接器4J29合金接觸體斷裂分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2015,10(6):369-375.

[11] 曾正明. 實(shí)用工程材料技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:567-569.

[12] 鮮飛. 芯片封裝技術(shù)的發(fā)展歷程[J]. 印制電路信息,2009(6):65-69.

Fracture Analysis and Improvement of Pins of DSP Chips in Satellite-borne Circuit

YANG Zhe-hui1,2，LIU Yun-meng1，WANG Yi-bo1

( 1.ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,CAS,Shanghai200083,China;2.ShanghaiTechUniversity,Shanghai201210,China)

The pins of DSP chips in the satellite-borne circuit board fractured during random vibration testing. The phenomenon reoccurred during the repeat test. The fracture mode and cause of the pins was analyzed by fracture surface analysis, energy spectrum composition analysis, process analysis and structure mechanical analysis. The results show that the fracture mode of the chip pins is fatigue fracture. The main cause of fatigue fracture is the excessive alternating stress on the pins during the vibration test. The reinforced structure based on the finite analysis is adopted. Finally, the improved structure design of circuit and DSP chips are proved better through the random vibration test.

pin fracture; random vibration; DSP chip; fatigue

2016年5月10日

2016年7月20日

楊哲輝(1990年-)，男，碩士，主要從事航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析等方面的研究。

V414.3；TN603

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.008

1673-6214(2016)04-0236-04