LCCC器件高可靠性焊接工藝研究

楊帥舉，王澤錫，李 雪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所，河南 鄭州 450047)

LCCC器件高可靠性焊接工藝研究

楊帥舉，王澤錫，李 雪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所，河南 鄭州 450047)

某課題中LCCC器件在經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后，出現(xiàn)部分功能或全部功能失效現(xiàn)象。經(jīng)過分析，分別建立焊點(diǎn)高度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm，有底部填充和無底部填充的器件模型，對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析。最后根據(jù)仿真結(jié)果，改進(jìn)了LCCC焊接工藝，檢測(cè)證明，該項(xiàng)改進(jìn)能有效提高LCCC器件的可靠性，為其它LCCC的電裝提供了參考。

LCCC；有限元分析；可靠性

LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier，無引腳陶瓷片式載體)由于其體積小、引腳密度高和電性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天等領(lǐng)域。其引腳個(gè)數(shù)一般為16～124只，由于器件側(cè)面像個(gè)城堡，因此LCCC器件有時(shí)也被稱為“城堡形”器件。課題中使用頂蓋材料為鐵鎳合金，氧化鋁陶瓷封裝的方形LCCC，在經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)(高低溫交變循環(huán)試驗(yàn))后時(shí)常會(huì)出現(xiàn)LCCC器件部分功能或全部功能失效現(xiàn)象[1]。為保障產(chǎn)品中使用的LCCC器件電裝質(zhì)量，消除焊點(diǎn)焊層開裂，使用常規(guī)的焊接工藝焊接的芯片難以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此需要進(jìn)行LCCC器件焊接工藝研究。

1 現(xiàn)狀

某課題中的LCCC在經(jīng)過溫度循環(huán)環(huán)境試驗(yàn)后，出現(xiàn)部分功能或全部功能失效現(xiàn)象。為了查找原因，分別對(duì)器件進(jìn)行X光透視檢查、光學(xué)檢測(cè)和金相分析。

X光透視檢測(cè)后，對(duì)器件的焊點(diǎn)進(jìn)行分析。器件的48個(gè)焊點(diǎn)中覆蓋率滿足要求的焊點(diǎn)僅9個(gè)，器件焊點(diǎn)焊層的缺陷率達(dá)到81.25%，焊點(diǎn)X光檢測(cè)存在嚴(yán)重缺陷；對(duì)器件進(jìn)行金相分析后發(fā)現(xiàn)，器件的焊點(diǎn)焊層開裂長(zhǎng)度均大于重要區(qū)域的25%，金相分析焊點(diǎn)全部缺陷；對(duì)器件取12個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)，檢測(cè)后有10個(gè)焊點(diǎn)存在質(zhì)量缺陷，器件的焊點(diǎn)缺陷率分別達(dá)到83.33%，焊點(diǎn)光學(xué)檢驗(yàn)存在嚴(yán)重缺陷。

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果，對(duì)焊點(diǎn)缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1，可以發(fā)現(xiàn)采用目前的焊接工藝完成的LCCC器件，存在嚴(yán)重的缺陷，需要對(duì)目前的焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，滿足產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。

圖1 焊點(diǎn)缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 有限元仿真分析

任曉剛等通過實(shí)驗(yàn)證明，增加焊點(diǎn)的高度能夠提高LCCC的溫度循環(huán)壽命[2]。馬孝松等通過底部填充的方式有效提高了倒裝焊器件的溫度循環(huán)壽命[3]。因此可以考慮通過提高焊點(diǎn)高度和在芯片本體與印制板之間增加底部填充的方式相結(jié)合來改進(jìn)LCCC焊接工藝。根據(jù)以上分析，建立了LCCC器件模型，以焊點(diǎn)高度和底部填充為變量進(jìn)行了有限元仿真分析。

2.1 材料參數(shù)與邊界條件

由于芯片是方形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約計(jì)算資源，取芯片的1/4建立模型[4]。所建立的有限元模型如圖2所示。其中器件本體材料為氧化鋁，器件焊盤和印制板焊盤均為銅，焊點(diǎn)材料為63Sn-37Pb。模型的網(wǎng)格劃分效果如圖2所示，其中器件和焊點(diǎn)使用網(wǎng)格尺寸控制，器件網(wǎng)格尺寸為0.25 mm，焊點(diǎn)網(wǎng)格尺寸為0.15 mm。邊界條件為印制板對(duì)稱面設(shè)置為固定約束，其余面為自由面[5]。

圖2 器件仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

通過仿真，得到模型的最大剪切應(yīng)力和應(yīng)變，如圖3所示。從圖中可以看到，最大剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)變出現(xiàn)的位置基本重合，最大應(yīng)力和應(yīng)變出

圖3 模型最大剪切應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖

現(xiàn)在焊點(diǎn)最內(nèi)側(cè)，可以判斷這些位置將是器件中可靠性較低的位置[7]。進(jìn)一步得到焊點(diǎn)的最大剪切應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示，從焊點(diǎn)最大剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)變?cè)茍D中看到焊點(diǎn)最內(nèi)側(cè)和焊點(diǎn)拐角處應(yīng)力和應(yīng)變最大，將是焊點(diǎn)可靠性最低的部位，與金相分析中裂縫出現(xiàn)的位置一致。

分別建立焊點(diǎn)高度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm，無底部填充和有底部填充的模型進(jìn)行分析，提取焊點(diǎn)上最大剪切應(yīng)變和最大剪切應(yīng)力如表1所示，將數(shù)據(jù)繪制成曲線(如圖5)。

圖4 焊點(diǎn)最大剪切應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖

焊點(diǎn)高度及填充(mm)最大剪切應(yīng)變(10-5mm/mm)最大剪切應(yīng)力(MPa)0．1無填充7．32483．65660．2無填充7．30473．51030．3無填充7．29083．38570．1有填充4．89122．27190．2有填充4．61202．22890．3有填充4．46232．0779

圖5 不同高度焊點(diǎn)最大剪切應(yīng)力、應(yīng)變曲線

從圖中可以看到：1) 無底部填充時(shí)，改變焊點(diǎn)高度對(duì)焊點(diǎn)所受到的應(yīng)力、應(yīng)變影響不明顯；2) 使用底部填充的方式能夠有效的改善焊點(diǎn)所受到的應(yīng)力、應(yīng)變，其中焊點(diǎn)最大剪切應(yīng)力改善51.7%以上，焊點(diǎn)最大剪切應(yīng)變改善50%以上。

2.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

通過有限元仿真結(jié)果可以知道，采用焊點(diǎn)高度為0.3 mm，有底部填充的焊接工藝參數(shù)，能夠有效降低焊點(diǎn)受到的剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變。對(duì)采用焊點(diǎn)高度為0.3 mm，有底部填充方法進(jìn)行焊接的器件分別進(jìn)行X光檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)和金相分析，X光檢測(cè)結(jié)果顯示器件的焊點(diǎn)焊層平均覆蓋率均達(dá)到95%以上。器件的焊點(diǎn)焊層的缺陷率降至0，X光檢測(cè)無缺陷；本次金相分析對(duì)器件進(jìn)行了10組引腳的切割，焊點(diǎn)焊層重要區(qū)域無大于25%的焊層開裂。器件光學(xué)檢測(cè)結(jié)果顯示所有焊點(diǎn)表面無開裂現(xiàn)象。

對(duì)工藝改進(jìn)后器件焊接的合格焊點(diǎn)和不合格焊點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示，證明仿真分析得到的焊接工藝改進(jìn)能夠有效提高焊點(diǎn)的合格率。

圖6 工藝改進(jìn)后焊點(diǎn)缺陷率對(duì)比

3 總結(jié)

通過X光檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)和金相分析，發(fā)現(xiàn)原有LCCC焊接工藝焊接的器件，在溫度循環(huán)后存在嚴(yán)重焊點(diǎn)缺陷。為了減小LCCC焊點(diǎn)缺陷率，提出了增加焊點(diǎn)高度和底部填充的方式。分別對(duì)焊點(diǎn)高度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm，無底部填充和有底部填充的模型進(jìn)行有限元仿真，證明增加焊點(diǎn)高度的方式對(duì)剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變的影響不大，底部填充的方式能夠有效的改善焊點(diǎn)所受到的剪切應(yīng)力、應(yīng)變。根據(jù)有限元仿真結(jié)果，改進(jìn)了LCCC焊接工

藝，再次通過X光檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)和金相分析后，證明改進(jìn)后的焊接工藝有效地提高了LCCC焊點(diǎn)的合格率。

[1] QJ3011-1998.航天電子電氣產(chǎn)品通用技術(shù)要求[S/OL].[1998-10-01]www.bzxz.net.

[2] 任曉剛，徐延?xùn)|，馬磊，等.LCCC封裝器件焊點(diǎn)可靠性研究[J].電子工藝技術(shù),2013,34(4):200-203.

[3] 馬孝松，陳建軍.低膨脹系數(shù)底充膠對(duì)倒裝焊焊點(diǎn)疲勞可靠性的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2005,21(3):68-70.

[4] 林健，雷永平，等.電子電路中焊點(diǎn)的熱疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(6):122-125.

[5] 王艷良，邱寶軍.BGA焊點(diǎn)的有限元模擬仿真分析[J].電子質(zhì)量，2009,32(1):24-27.

[6] 王玲，王宏芹，符永高，等.無鉛BGA焊點(diǎn)溫度循環(huán)及四點(diǎn)彎曲可靠性能實(shí)驗(yàn)研究[J].電子工藝技術(shù),2010,31(6):332-333.

[7] 成鋼.膨脹系數(shù)匹配對(duì)電子產(chǎn)品可靠性的影響[J].電子元器件與可靠性,2010,28(6):32-36.

Research on High Reliability Welding Process of LCCC Devices

Yang Shuaiju, Wang Zexi, Li Xue

(The27thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,

ZhengzhouHenan450047,China)

In a project, the reliability of LCCC device is reduced after temperature cycling test. Through the analysis, it finds out that the solder joint is affected by the shear stress and strain. The finite element simulation analysis is made on the device model which is separately built with and without under fills when the height of solder joint is 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm. The test shows that this improvement can effectively improve the reliability of solder joints and provide reference for other device of LCCC.

LCCC; finite element analysis; reliability

2016-11-16

楊帥舉(1986- )，男，工程師，畢業(yè)于重慶大學(xué)，研究方向：電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)。

1674- 4578(2017)01- 0078- 03

TN305.94，TN6

A