雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力及優(yōu)化分析

吳畏

【摘 要】雙通道數(shù)字電源是目前機(jī)械與設(shè)備生產(chǎn)中較常使用的裝置，它既能夠根據(jù)設(shè)備需求調(diào)控電流的供應(yīng)參數(shù)，同時(shí)憑借雙通道的優(yōu)勢(shì)，也能夠使供電穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。此種功能主要與電源內(nèi)部芯片有關(guān)，而封裝作為固定芯片最重要的操作步驟，若是在結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面出現(xiàn)問(wèn)題，則勢(shì)必會(huì)影響芯片安裝的質(zhì)量。所以，為使雙通道數(shù)字電源質(zhì)量得以保障，必須對(duì)封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力給予重視，確保焊橋設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)形式得以優(yōu)化，才能為后續(xù)產(chǎn)品市場(chǎng)的拓展奠定更扎實(shí)的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】雙通道數(shù)字電源;開(kāi)關(guān)封裝;結(jié)構(gòu)應(yīng)力;優(yōu)化分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN86;F416.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0054-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.026

根據(jù)某公司調(diào)查資料可知，為滿足產(chǎn)品市場(chǎng)業(yè)務(wù)得以持續(xù)拓展的需求，并鞏固公司在電子器件領(lǐng)域市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)地位，目前事業(yè)單位結(jié)合市場(chǎng)發(fā)展環(huán)境，對(duì)雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)提出了更嚴(yán)格的要求，在原有功能性的前提下，也對(duì)產(chǎn)品的尺寸、集成度、密度提出了較高的要求，而若是仍舊沿用傳統(tǒng)的焊橋平面搭接，則勢(shì)必會(huì)造成產(chǎn)品厚度較高且開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等情況，因此現(xiàn)階段主要選用了切割型焊橋設(shè)計(jì)，以便焊接質(zhì)量得以保障。

1 應(yīng)力模擬設(shè)計(jì)

封裝是將繼承電路裝配為芯片的收尾工作，更詳細(xì)的講便是將繼承電路的裸片放置于某塊具備承載功能的基板，而后將管腳引出并固定，以便使雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)成為整體。結(jié)合以往資料可知，封裝過(guò)程主要包含了安放、固定、密封及引線等環(huán)節(jié)，而芯片安裝對(duì)精密性要求較高，若是封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生晃動(dòng)或偏移等情況，則極易對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量造成極為嚴(yán)重的影響，因此在應(yīng)力模擬設(shè)計(jì)過(guò)程中，管理者便需結(jié)合參數(shù)與以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有封裝技術(shù)進(jìn)行研究與分析，才能使雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)封裝質(zhì)量的可控性得以增強(qiáng)。

結(jié)合資料可知，某公司事業(yè)部門(mén)對(duì)目前產(chǎn)品提出了高密度、薄型、多層與集成的產(chǎn)品銷(xiāo)售特點(diǎn)，為達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的超薄、超小型封裝要求，設(shè)計(jì)者最先按照以往設(shè)計(jì)思路對(duì)開(kāi)關(guān)封裝進(jìn)行研究。其中LDF厚度為0.203mm，條帶尺寸為61.5×227.4mm，鋸街設(shè)計(jì)為0.33mm，密度為14X12×4=672單元/條，底盤(pán)尺寸分為2.00×1.55mm、0.92×1.62mm、0.92×1.62mm，鍍層類(lèi)型選用PPF。過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需預(yù)先規(guī)劃好基板MOS芯片放置部位，而后再將芯片按照布局要求查看觸點(diǎn)是否接觸良好，之后，將芯片與底板焊接，再使用管腳連接好芯片和基板，確認(rèn)無(wú)誤后再將標(biāo)簽貼在最上端。[1]

上述封裝措施元件總厚度為0.620mm，芯片外包裝為0.80mm。從工藝角度來(lái)看，如何更好地控制打線弧高的控制是產(chǎn)品控制厚度與應(yīng)力結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)，若仍舊沿用以往的等效處理方法，則芯片在焊接精度方面或許會(huì)出現(xiàn)較小幅度的偏差，雖不會(huì)對(duì)雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)功能造成影響，但勢(shì)必會(huì)影響到管腳的正常安置。

因此，設(shè)計(jì)者提出切割型焊橋設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合產(chǎn)品要求擬定了多款焊橋框架作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，最終將芯片尺寸規(guī)格定在了50.820×51.080mm，鋸街為0.33mm，密度為1275和2550單元/條。而焊橋上做凸點(diǎn)設(shè)計(jì)，凸點(diǎn)與芯片用燒結(jié)銀進(jìn)行焊接，增加了焊點(diǎn)與基板、芯片之間的接觸面積，使得雙通道數(shù)字電源的開(kāi)關(guān)焊橋質(zhì)量得以顯著提升，并在原有基礎(chǔ)上，使封裝厚度顯著降低，滿足了事業(yè)部門(mén)的市場(chǎng)戰(zhàn)略需要。

2 封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

從芯片所選型號(hào)與焊橋技術(shù)的轉(zhuǎn)變可知，原有封裝結(jié)構(gòu)的厚度與質(zhì)量都產(chǎn)生了較大的變化，若要保持芯片組的穩(wěn)定性，則需要在結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)換后，對(duì)現(xiàn)有封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行分析，確保應(yīng)力能夠持續(xù)控制在限值狀態(tài)下。

根據(jù)雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)的布置形式與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，兩組芯片的安裝具有對(duì)稱性，并且封裝措施與元件選用相同，因此為降低模型數(shù)據(jù)的計(jì)算量，將選用1/4模型對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其次，遵循等效應(yīng)力第四強(qiáng)度的理論，管理人員還需認(rèn)真核查產(chǎn)品在使用過(guò)程中，熱量等因素是否會(huì)對(duì)材料造成損害，甚至使材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。為了更好且更全面地了解封裝結(jié)構(gòu)狀況，管理人員便需識(shí)別應(yīng)力的大小與分布狀況。[2]

通過(guò)結(jié)構(gòu)模型可知，產(chǎn)品封裝管腳一側(cè)應(yīng)力明顯高于其他處，并且由相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，不同材料受熱膨脹系數(shù)的差異性，會(huì)使產(chǎn)品封裝熱應(yīng)力水平提升，并產(chǎn)生較大的形變量，因此在材料膨脹過(guò)程中，管腳管給予較大的限制應(yīng)力，而結(jié)合模型受力環(huán)境可知，受應(yīng)力影響最明顯的區(qū)域便是焊橋上凸點(diǎn)處與底部接觸位置。此種應(yīng)力分布情況，主要是因?yàn)楹笜蜃鳛檫B接基板與芯片的媒介，也具備彈塑性體的特點(diǎn)，在焊接過(guò)程中為避免對(duì)芯片結(jié)構(gòu)與單元造成損害，通常會(huì)距離中心位置較遠(yuǎn)，而在管腳施以壓力時(shí)，便不可避免地使芯片材料產(chǎn)生微小形變，此種狀態(tài)下若受熱膨脹系數(shù)等因素影響，則極易使形變量變大，甚至直接超過(guò)材料的限值，長(zhǎng)此以往勢(shì)必會(huì)使芯片的質(zhì)量受損。

3 焊橋設(shè)計(jì)優(yōu)化

雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)封裝結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)置芯片散熱的殘余應(yīng)力影響較大，若是并未結(jié)合產(chǎn)品要求對(duì)焊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其塑性約束力得以下降，則勢(shì)必會(huì)因?yàn)椴牧系臒崤蛎浶允剐酒w或局部結(jié)構(gòu)承受較大的應(yīng)力，甚至可能使其內(nèi)部單元造成損害，造成數(shù)字電源的功能性受阻。因此，如何選用適宜的焊橋結(jié)構(gòu)參數(shù)與封裝結(jié)構(gòu)非常重要。

以封裝結(jié)構(gòu)受力最明顯的部位舉例，為降低熱膨脹應(yīng)力對(duì)各處焊球施加作用力，本項(xiàng)目焊球在高度、間距與直徑方面均可作為優(yōu)化參量，借助軟件對(duì)上述參量進(jìn)行調(diào)整與深入研究，便能夠使產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力影響得以顯著降低。過(guò)程中，可選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)各類(lèi)因素進(jìn)行排列，列舉各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值，并在參量變化期間，認(rèn)真觀察產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的規(guī)律與特點(diǎn)，并做好各項(xiàng)數(shù)據(jù)的記錄工作，以便找尋到更適宜的優(yōu)化參數(shù)。[3]

但結(jié)合設(shè)計(jì)資料來(lái)看，不論參量如何變化，封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大應(yīng)力均停留在外邊緣及接觸點(diǎn)位。因此，以二者作為影響要素，并結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)表分別列舉出不同焊橋高度、間距與直徑中最大應(yīng)力的數(shù)值，而后從中選擇最適宜的焊橋數(shù)據(jù)，便能使封裝質(zhì)量得以增強(qiáng)。

而整體封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，則可以選擇以下三種方法：

1）直接優(yōu)化法：在不考慮減薄封裝體厚度情況下，通過(guò)利用工程軟件對(duì)目標(biāo)變量進(jìn)行直接優(yōu)化。通過(guò)利用通用的零階優(yōu)化方法選取十個(gè)以上影響因子當(dāng)作設(shè)計(jì)變量，其取值應(yīng)符合封裝標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）固定因子優(yōu)化法：根據(jù)前文分析結(jié)果及直接優(yōu)化固定在相應(yīng)水平，并以其他八個(gè)影響因子對(duì)目標(biāo)量進(jìn)行再一次應(yīng)力優(yōu)化。

3）固定因子優(yōu)化封裝高度法：通過(guò)總結(jié)分析結(jié)果，在以降低封裝高度為目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上，將固定在不同水平可以保障凸點(diǎn)處持續(xù)處于較低的應(yīng)力水平，再有就是講密封劑高度作為目標(biāo)變量，保障芯片表明上密封劑厚度符合工藝要求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)指標(biāo)是試驗(yàn)研究過(guò)程的因變量，在試驗(yàn)中根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康亩_定的衡量試驗(yàn)結(jié)果的特征量稱為試驗(yàn)指標(biāo)。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)失效主要表現(xiàn)為芯片開(kāi)裂、封裝體翹曲兩種，分層則是其中主要的失效表現(xiàn)，進(jìn)而再導(dǎo)致后續(xù)的電性失效。在本問(wèn)題中可選定芯片上第一主應(yīng)力極大值、黏合劑上剪切應(yīng)力極大值、封裝體上下表面高度差為試驗(yàn)指標(biāo)。其次，還需判斷影響試驗(yàn)結(jié)果的影響要素，確保將每項(xiàng)要素納入正交試驗(yàn)的考慮范疇之內(nèi)，判斷會(huì)對(duì)雙通道數(shù)字電源封裝結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，才能使實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果更加屬實(shí)。

基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的要求，本此實(shí)驗(yàn)選用最為直觀的正交極差分析法，以便正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更便于識(shí)別，因此尋求最適宜的生產(chǎn)環(huán)境、加工工藝和材料配備。其次，為使各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)更具可比性，在得出各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，需列舉平均數(shù)值，將各組因素標(biāo)注，并根據(jù)極差的大小明確因素的主次影響順序，才能在選擇焊橋方案時(shí)，更好把控各項(xiàng)影響要素。最后，結(jié)合每組試驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者需篩選出各組最優(yōu)的組合方案，并分別與原有方案進(jìn)行核對(duì)，分析焊橋處應(yīng)力的特點(diǎn)與確切數(shù)值，以便查看哪組焊橋方案最具優(yōu)勢(shì)，而后再選取數(shù)個(gè)最具優(yōu)勢(shì)的方案，分析其平均值的高低，以便更好地鞏固實(shí)驗(yàn)結(jié)果。[4]

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)資料及結(jié)果可知，隨著焊球的高度、間距與直徑的不斷增大，外側(cè)拐角與接觸點(diǎn)的最大等效應(yīng)力在不斷減小，因此有理由認(rèn)為隨著焊球高度的提升，會(huì)使周?chē)奶畛湮镌龆?，由此借由填充物可有效降低?yīng)力的傳導(dǎo)，使封裝受力得到緩沖，而焊球膨脹系數(shù)高于填充物，中間層的熱膨脹系數(shù)勢(shì)必會(huì)下降，而焊球與底部接觸點(diǎn)系數(shù)差值也會(huì)減小，由此整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力指數(shù)也會(huì)降低。應(yīng)力之所以隨著焊球間距的增大而減小，是因?yàn)殡S著焊球間距的增大，中間層等效熱膨脹系數(shù)減小，所以中間層與底部接觸位置熱膨脹系數(shù)差減小，致使焊球外側(cè)拐角與底部接觸位置的最大等效應(yīng)力不斷減小。而應(yīng)力之所以隨著焊球直徑的增大而減小，是因?yàn)殡S著焊球直徑增大，焊球個(gè)數(shù)相應(yīng)減小，在選定參數(shù)范圍內(nèi)使得整體中間層銅的比例減小，導(dǎo)致中間層等效熱膨脹系數(shù)減小，而使焊球外側(cè)拐角與底部接觸位置的最大等效應(yīng)力不斷減小。因此，在面對(duì)事業(yè)部門(mén)對(duì)雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)品提出的要求時(shí)，設(shè)計(jì)人員需站在更客觀的角度，以更真實(shí)的數(shù)據(jù)，將焊球高度、間距及直徑的影響，將殘余應(yīng)力作為憑據(jù)，選擇更適宜的檔案，確保產(chǎn)品功能性得以保障，才能在原有基礎(chǔ)上持續(xù)變薄、變小，使公司產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中的地位得以鞏固。

5 結(jié)論

雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不但能夠在原有芯片焊橋垂直堆疊工藝基礎(chǔ)上提供密度更高、制片更薄、層數(shù)更多且功能高度集成的產(chǎn)品，使此類(lèi)產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中的地位得到鞏固，同時(shí)憑借且切割型焊橋的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，也更便于調(diào)節(jié)封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力，避免因?yàn)闊崤蛎浀仍赜绊?，使產(chǎn)品質(zhì)量受損。故而，在論述雙通道數(shù)字電源開(kāi)關(guān)封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力及優(yōu)化分析期間，必須明確影響封裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要素，并能夠在技術(shù)可控的基礎(chǔ)上改善現(xiàn)有封裝技術(shù)，才能使產(chǎn)品的質(zhì)量得到更多企業(yè)及用戶的認(rèn)可，使公司的市場(chǎng)地位得以鞏固。

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