某型號(hào)低壓差線性穩(wěn)壓器失效分析

任贊，喬志壯，劉林杰

某型號(hào)低壓差線性穩(wěn)壓器失效分析

任贊，喬志壯，劉林杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

某型號(hào)低壓差線性穩(wěn)壓器在篩選試驗(yàn)中出現(xiàn)電源輸出不正常的情況，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管殼側(cè)壁陶瓷出現(xiàn)裂紋，裂紋導(dǎo)致管殼陶瓷中的金屬化布線斷裂，進(jìn)而造成信號(hào)輸出異常。使用有限元分析的方法對(duì)主要產(chǎn)生熱應(yīng)力的兩個(gè)階段，即管殼釬焊、板級(jí)回流焊接進(jìn)行模擬仿真，找出陶瓷出現(xiàn)裂紋的力學(xué)原因，并據(jù)此提出陶瓷管殼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案——減少應(yīng)力來(lái)源，減小散熱片面積；加大陶瓷結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)度，在總體厚度不變前提下，增加陶瓷體厚度。重新做應(yīng)力分析，通過(guò)對(duì)比，在相同溫度條件下優(yōu)化方案仿真應(yīng)力數(shù)值改善明顯，優(yōu)化結(jié)構(gòu)耐受熱載荷能力得到極大提高，結(jié)構(gòu)非常安全。根據(jù)仿真結(jié)果制作樣品并對(duì)樣品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)設(shè)計(jì)可以解決封裝器件板級(jí)篩選試驗(yàn)中出現(xiàn)的陶瓷層裂紋問(wèn)題。

陶瓷封裝；有限元分析；壽命周期；電子產(chǎn)品

1 引言

高可靠電子產(chǎn)品從生產(chǎn)到交付用戶使用的整個(gè)壽命周期內(nèi)，產(chǎn)品要經(jīng)歷不同的環(huán)境狀況，特別是溫度變化[1]。在循環(huán)溫度變化時(shí)，焊接界面因封裝基材和印制板的熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生交變的應(yīng)力和應(yīng)變，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)或元器件封裝管殼的損傷或失效[2]。

一般的產(chǎn)品在生產(chǎn)加工后都需要經(jīng)過(guò)篩選試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品裝配工藝的可靠性，超過(guò)一定循環(huán)次數(shù)的產(chǎn)品才被認(rèn)為是可靠的。產(chǎn)品在溫度沖擊中的熱可靠性分析一直受到較多的關(guān)注，相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬工作也被廣泛運(yùn)用到各種不同形式封裝的器件中[3-4]。

2 失效分析

某型號(hào)低壓差線性穩(wěn)壓器在篩選試驗(yàn)中出現(xiàn)電源輸出不正常情況。該器件采用7引線DDPAK陶瓷表貼封裝，器件封裝外形尺寸如圖1所示。

圖1 器件外形圖

該器件封裝外殼封口環(huán)材質(zhì)為4J34，陶瓷體為多層Al2O3高溫高燒陶瓷，熱沉為Mo70Cu30。

該器件的安裝使用一般是采用再流焊方式焊接到印制板上。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管殼側(cè)壁陶瓷出現(xiàn)裂紋，裂紋可能導(dǎo)致管殼陶瓷中的金屬化布線斷裂、內(nèi)部電路基板開(kāi)裂。為確定外觀觀察到的輕微裂紋是否延伸至內(nèi)部，對(duì)殼體右側(cè)研磨一定深度，可觀察到裂紋較為清晰，位于陶瓷臺(tái)階交疊面，如圖2所示，所以，可確認(rèn)由于陶瓷出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致電路開(kāi)路失效。

圖2 研磨后側(cè)面裂紋

通過(guò)以上試驗(yàn)確認(rèn)，電路管殼外側(cè)存在細(xì)微裂紋，即位于陶瓷臺(tái)階層位置的陶瓷管殼內(nèi)部存在裂紋，導(dǎo)致PIN7端口金屬布線斷裂而使PIN7開(kāi)路，從而引起Vout無(wú)輸出的故障。

ANSYS是最常用的有限元分析軟件，功能強(qiáng)大，利用該軟件可以對(duì)穩(wěn)壓器陶瓷管殼進(jìn)行熱應(yīng)力分析，繪制出應(yīng)力分布圖，針對(duì)管殼陶瓷部分所受應(yīng)力，找出應(yīng)力集中區(qū)與陶瓷裂紋之間的關(guān)系。

3 模擬分析

管殼陶瓷部分出現(xiàn)裂紋，主要是由于陶瓷管殼的熱膨脹系數(shù)（簡(jiǎn)稱，7.5×10-6℃）與熱沉Mo70Cu30（8.2×10-6℃）、PCB板等之間存在差異，在管殼生產(chǎn)時(shí)的釬焊、器件的板級(jí)焊接、等熱載荷環(huán)節(jié)中，熱沉與陶瓷之間產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)陶瓷殼體存在結(jié)構(gòu)突變（即臺(tái)階位置）時(shí)，在該結(jié)構(gòu)突變位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得結(jié)構(gòu)突變位置出現(xiàn)過(guò)大應(yīng)力，當(dāng)陶瓷所受應(yīng)力值超過(guò)陶瓷的耐受強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使脆性的陶瓷出現(xiàn)裂紋。同時(shí)，不同階段的殘余應(yīng)力發(fā)生累積，隨著熱應(yīng)力不斷累積，微裂紋不斷擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋。

基于上述機(jī)理，對(duì)主要產(chǎn)生熱應(yīng)力的兩個(gè)階段進(jìn)行模擬仿真，關(guān)鍵材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。根據(jù)陶瓷管殼結(jié)構(gòu)、尺寸以及焊接到印制板上的組裝方式，建立印制板組裝件的ANSYS仿真模型，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在應(yīng)力比較集中的部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，以便得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

表1 熱分析材料參數(shù)表

材料名稱CTE/（10﹣6 ℃）彈性模量/GPa泊松比 氧化鋁陶瓷7.53140.25 封口環(huán)、引線4J346.81420.317 熱沉MoCu308.22500.31 硬釬焊料Ag72Cu2815.6900.33 軟焊料Sn63Pb3724.51520.35 FR416270.11 PCB銅箔161080.31

應(yīng)力分布云圖分別如圖3、圖4所示。由圖可見(jiàn)，在管殼釬焊、板級(jí)回流焊接過(guò)程中應(yīng)力集中明顯，且板級(jí)回流焊接過(guò)程中由于疊加PCB板的影響，臺(tái)階位置應(yīng)力最大，達(dá)到280 MPa。

圖3 釬焊過(guò)程管殼應(yīng)力分布

圖4 板級(jí)焊接過(guò)程管殼應(yīng)力分布

由于陶瓷的極限抗彎強(qiáng)度為400 MPa，封裝行業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)為1.5，根據(jù)安全系數(shù)=極限強(qiáng)度/實(shí)際允許承受強(qiáng)度，可知實(shí)際允許承受強(qiáng)度為267 MPa。由于板級(jí)回流焊接過(guò)程下臺(tái)階位置應(yīng)力達(dá)280 MPa，已超過(guò)實(shí)際允許承受強(qiáng)度267 MPa，所以，板級(jí)回流焊接是導(dǎo)致殼體出現(xiàn)裂紋的主要原因。

4 優(yōu)化改進(jìn)

為了避免由于熱應(yīng)力引起的陶瓷裂紋，在保證器件電熱性能的前提下，分別從應(yīng)力來(lái)源、提高陶瓷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面對(duì)管殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改：減少應(yīng)力來(lái)源，減小散熱片面積；加強(qiáng)陶瓷結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)度，在總瓷厚度不變的前提下，加厚下部瓷體。

保持仿真條件不變，重新仿真，優(yōu)化管殼兩個(gè)階段的應(yīng)力分布云圖分別如圖5、圖6所示。由圖可見(jiàn)，優(yōu)化方案仿真應(yīng)力數(shù)值改善明顯，優(yōu)化結(jié)構(gòu)耐受熱載荷能力得到極大提高，結(jié)構(gòu)非常安全，陶瓷臺(tái)階位置已經(jīng)不是應(yīng)力集中區(qū)域。陶瓷臺(tái)階位置最大應(yīng)力43.5 MPa，遠(yuǎn)小于優(yōu)化前的280 MPa。雖然最大應(yīng)力區(qū)域均為陶瓷底面與熱沉接觸的4個(gè)角，但最大應(yīng)力各階段下降均超過(guò)50%。陶瓷臺(tái)階位置最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于實(shí)際允許陶瓷承受強(qiáng)度267 MPa這一安全強(qiáng)度，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)將非常安全。

圖5 釬焊過(guò)程優(yōu)化后管殼應(yīng)力分布

圖6 板級(jí)焊接過(guò)程優(yōu)化后管殼應(yīng)力分布

優(yōu)化后的管殼方案在保證管殼電性能、散熱能力、用戶焊接兼容性等前提下，管殼耐受熱載荷能力得到極大提高，結(jié)構(gòu)非常安全，可以解決板級(jí)焊接過(guò)程中瓷裂導(dǎo)致引腳開(kāi)路的問(wèn)題。

5 結(jié)論

管殼陶瓷部分出現(xiàn)裂紋，主要是由于陶瓷管殼的零件之間熱膨脹系數(shù)、PCB板等之間存在差異，在管殼生產(chǎn)時(shí)的釬焊、器件的板級(jí)焊接、溫度循環(huán)等熱載荷環(huán)節(jié)中，熱沉與陶瓷之間產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)陶瓷殼體存在結(jié)構(gòu)突變時(shí)，在該結(jié)構(gòu)突變位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得結(jié)構(gòu)突變位置出現(xiàn)過(guò)大應(yīng)力，當(dāng)陶瓷所受應(yīng)力值超過(guò)陶瓷的耐受強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使脆性的陶瓷出現(xiàn)裂紋，使陶瓷內(nèi)部金屬布線斷裂，最終導(dǎo)致引腳連接性開(kāi)路。通過(guò)減少應(yīng)力來(lái)源、加強(qiáng)陶瓷結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)度來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)仿真結(jié)果制作樣品并對(duì)樣品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)設(shè)計(jì)可以解決封裝器件板級(jí)篩選試驗(yàn)中出現(xiàn)的陶瓷層裂紋問(wèn)題。

［1］成鋼.膨脹系數(shù)匹配對(duì)電子產(chǎn)品可靠性的影響［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2010，28（6）：32-36.

［2］周斌，邱寶軍，羅道軍.片式元件焊點(diǎn)的熱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變模擬技術(shù)研究［J］.電子元件與材料，2008，27（7）：58- 61.

［3］章蕾，郭好文，何倫文，等.貼片焊層厚度對(duì)功率器件熱可靠性影響的研究［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2007，32（11）：933 -936.

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

TM44

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.058

2095－6835（2020）13－0140－02

〔編輯：張思楠〕