CQFP不同引線成型方式的板級組裝可靠性分析

明雪飛，王劍峰，張振越

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

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、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[1]，并且具有很高的可靠性，被廣泛地應用于軍事和航空航天印制板組裝領域[2-3]。

CQFP產(chǎn)品在使用中，往往要經(jīng)受熱真空、溫度循環(huán)和力學振動/沖擊等惡劣環(huán)境條件的考驗。CQFP常用Al2O3陶瓷管殼，引線為柯伐材料，在進行板級組裝時，常用PbSn焊料進行引線與PCB的焊接。由于陶瓷管殼與PCB間的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量等參數(shù)的區(qū)別，導致器件在受到力學振動、溫度循環(huán)等過程中引線互聯(lián)部分會產(chǎn)生應力應變累計，焊接處易產(chǎn)生裂紋而導致失效。

Analog Device公司的電路A/D轉換器AD10200采用CQFP形式，封裝面積為24.13 mm×24.13 mm，對引線進行了二次成形處理，具體的結構如圖1所示。借鑒此設計結構，針對某款CQFP100封裝產(chǎn)品，通過模態(tài)、隨機振動和溫循疲勞仿真分析，對比一次成型和二次成型的引線CQFP板級組裝的抗機械疲勞和抗熱疲勞性能，評估兩種結構的板級組裝可靠性。

圖1 AD10200電路封裝示意圖

1 CQFP100有限元分析熱力學模型

采用CQFP100封裝器件為有限元計算對象，由于CQFP器件的對稱性，可取其1/4建立有限元模型。一次成型引線CQFP100封裝器件模型如圖2a所示，二次成型引線CQFP100封裝器件模型如圖3a所示。模型由陶瓷管殼（Al2O3）、引線、焊料和PCB板組成，具體的細節(jié)還包括陶瓷管殼鎢層焊盤、AgCu焊料和PCB板焊盤，如圖2b、圖3b所示。

圖2 一次成型引線板級組裝結構圖

a 二次成型引線板級組裝模型

圖3 二次成型引線板級組裝結構圖

相關材料的參數(shù)如表1所示，焊料PbSn采用粘塑性Anand方程來描述其力學性能，如表2所示[4]。其他相關材料的參數(shù)被認為是線彈性的，且不受溫度影響。

表1 模型材料參數(shù)

表2 PbSn焊料的Anand模型參數(shù)

2 計算結果及分析

2.1 模態(tài)仿真分析

分別對一次成型引線器件與二次成型引線器件進行模態(tài)分析，模態(tài)分析結果如圖4所示，分別對比一次成型引線模型與二次成型引線模型前6階的固有頻率，如表3所示。從仿真結果能夠看到前6階的固有頻率一次成型引線模型都高于二次成型引線模型，這表明二次成型引線方式能夠降低器件板級組裝的剛性。其中，最重要的參考頻率是基頻（第一階頻率）。一次成型的基頻為33 671 Hz，二次成型后的基頻降為13 793 Hz，降低了59%，這表明引腳的柔性有較大的提高，這將有助于提高焊點的抗疲勞壽命。

表3 模態(tài)結果對比

圖4 模態(tài)分析結果對比

2.2 隨機振動分析

隨機振動激勵如表4所示，在20～80 Hz頻率范圍內，功率譜密度為+3 dB/oct；在80～350 Hz頻率范圍內，功率譜密度為0.04 g2/Hz；在350～2 000 Hz頻率范圍內，功率譜密度為-3 dB/oct。

表4 隨機振動激勵響應條件

從圖5中可以看出，一次成型引線器件的最大應力出現(xiàn)在引線頂端與AgCu焊料接觸的區(qū)域。如圖6所示，二次成型引線器件的最大應力出現(xiàn)在引線二次折彎處；二次成型后，最大應力點從引線頂端與焊料接觸區(qū)域轉移至引線二次折彎處，在隨機振動過程中能夠很好地提高焊接處的抗機械疲勞壽命。

圖5 一次成型引線器件應力分布圖

圖6 二次成型引線模型應力分布圖

2.3 溫度循環(huán)焊接疲勞壽命分析

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測多采用基于應變范圍的Coffin-Manson方程[5]。Coffin-Manson方程將焊點的疲勞壽命與材料熱循環(huán)過程中的非彈性應變范圍相關聯(lián)，其表達式為：

式（1）中：Nf——溫循疲勞失效次數(shù)；

Δεp——非彈性剪切應變范圍，它的值是等效塑性應變的倍；

εf——疲勞遲延系數(shù)，對于共晶焊料，εf=0.325；

c——疲勞滯指數(shù)，其數(shù)值與溫度循環(huán)條件相關，按照溫度循環(huán)條件計算c為-0.425 3。

溫度加載采用交變溫度載荷：溫度范圍為-45～80℃，升/降溫速率為5℃/min，高溫保持時間為2 h（包括升溫過程），低溫保持時間為2 h（包括降溫時間），溫度曲線如圖7所示。

圖7 溫度加載曲線

引線互聯(lián)的最大等效塑性應變出現(xiàn)在低溫保持階段，一次成型和二次成型引線模型的等效塑性應變分布云圖分別如圖8和圖9所示，兩種引線模型的最大塑性應變都出現(xiàn)在靠近邊角處的焊料外側。

圖8 一次成型引線模型等效塑性應變云圖

圖9 二次成型引線模型等效塑性應變云圖

一次成型與二次成型引線器件關鍵焊料處的塑性應變變化曲線如圖10所示，其中一次成型引線模型第三個溫度循環(huán)周期內的等效塑性應變范圍△ε=0.025 785；二次成型引線模型第三個溫度循環(huán)周期內的等效塑性應變范圍△ε=0.023 739。

圖10 等效塑性應變變化曲線

采用改進的Coffin-Manson方程對焊點的溫循疲勞壽命進行預測，分別將一次成型和二次成型引線器件第三個溫度循環(huán)周期內的等效塑性應變△ε帶入公式（1）中，計算得到的疲勞壽命如表5所示。

表5 兩種成型方式板級組裝壽命對比

根據(jù)仿真結果， CQFP100一次成型引線焊接處的溫循疲勞壽命為271次，二次成型引線焊接處的溫循疲勞壽命為329次。二次成型的方法能夠有效地提高CQFP器件的板級溫循可靠性。

3 結束語

通過對一次和二次成型引線的CQFP100封裝進行了模態(tài)、隨機振動和溫度循環(huán)下疲勞壽命仿真分析。通過模態(tài)分析可以看出，一次成型的基頻為33 671 Hz，二次成型后的基頻相比一次成型的基頻降低59%，表明引腳的柔性有較大的提高，有助于提高焊點的抗疲勞壽命。通過隨機振動分析發(fā)現(xiàn)，相比于一次成型器件的最大應力在焊料接觸區(qū)域，二次成型引線器件的最大應力轉移至引線二次折彎處，降低了焊料區(qū)域的壓力，增大了焊接區(qū)域抗機械疲勞性能，提高了板級組裝的可靠性。通過溫循焊點疲勞分析可以發(fā)現(xiàn)，二次成型引線可以降低每個溫循周期的等效塑性應變，從而提高溫循壽命和板級組裝后的可靠性。