焊點(diǎn)形態(tài)對(duì)表貼引腳元器件振動(dòng)應(yīng)力的影響

何 敏,鄧 夢(mèng),莊成波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所,四川 成都 610031)

諸如SO 封裝、PLCC 封裝等表貼引腳類(lèi)元器件具有集成度高、成本低、成品率高等一系列優(yōu)點(diǎn),在航空、航天電子設(shè)備中得到大量應(yīng)用。但表貼引腳類(lèi)元器件在實(shí)際振動(dòng)環(huán)境中應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)焊點(diǎn)應(yīng)力損傷問(wèn)題,因此,如何降低引腳表貼集成元器件的焊點(diǎn)應(yīng)力水平來(lái)提高電子設(shè)備可靠性,是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝人員非常關(guān)心的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)BGA (Ball Grid Array) 封裝類(lèi)元器件焊點(diǎn)應(yīng)力損傷或可靠性問(wèn)題比較重視,從結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料、空洞缺陷、溫度環(huán)境、振動(dòng)條件對(duì)其球形焊點(diǎn)應(yīng)力或疲勞壽命的影響問(wèn)題開(kāi)展了大量研究[1-5],而針對(duì)L 形和J 形的表貼引腳類(lèi)元器件的焊點(diǎn)和引腳應(yīng)力分析相關(guān)研究成果相對(duì)比較少,Chen 等[6]和吳玉秀等[7]分別研究了熱循環(huán)、焊接溫度對(duì)PLCC 和SOJ (Small Out-Line JLeaded) 封裝元器件的J 形引腳和焊點(diǎn)的應(yīng)力破壞機(jī)理或規(guī)律;而徐文正等[8]、王考等[9]則基于有限元方法,采用Steinberg 振動(dòng)疲勞模型和Engelmaier 熱疲勞模型計(jì)算了QFP (Quad Flat Package) 封裝元器件的L形引腳和焊點(diǎn)的疲勞壽命;Sakai 等[10]、崔海坡等[11]和姚震等[12]則研究了在熱循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)作用下,QFP 封裝的L 形引腳形狀、尺寸、排布、數(shù)量和焊料對(duì)其焊點(diǎn)的變形、應(yīng)力影響規(guī)律;文獻(xiàn)[13]研究了在熱循環(huán)載荷作用下SOP 封裝的5 種L 形引腳結(jié)構(gòu)形狀對(duì)其焊點(diǎn)變形、應(yīng)力的影響規(guī)律;文獻(xiàn)[14]和[15]研究了焊接界面IMC (Intermetallic Compound) 層厚度、無(wú)鉛焊料材料成分對(duì)J 形引腳元器件焊點(diǎn)的熱疲勞壽命的影響;Lee 等[16]研究了J 形引線(xiàn)互連焊點(diǎn)形態(tài)的表面化軟件模擬方法,通過(guò)靜力學(xué)和熱仿真證明減少J 導(dǎo)線(xiàn)互連焊點(diǎn)與FEM 之間的不匹配問(wèn)題。但現(xiàn)有的研究均未涉及焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)變化對(duì)元器件引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的振動(dòng)應(yīng)力影響關(guān)系。本文采用HyperMesh 和ANSYS 軟件,建立了分布安裝PLCC、SO 封裝元器件的兩類(lèi)PCBA 精確有限元模型,并對(duì)模型進(jìn)行振動(dòng)仿真,獲得了J 形和L 形兩類(lèi)引腳元器件的焊接形態(tài)參數(shù)變化對(duì)焊點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律,為引腳表貼集成元器件(特別是國(guó)產(chǎn)元器件)的抗振動(dòng)損傷設(shè)計(jì)和表貼工藝優(yōu)化提供了參考。

1 有限元建模

1.1 幾何模型

PCBA 由元器件封裝、引腳、焊點(diǎn)、焊盤(pán)和PCB基板等組成,其結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖1 和表1 所示,PLCC 封裝元器件型號(hào)為T(mén)opline PLCC44M,SO 封裝元器件型號(hào)為T(mén)opline SOL24m。

表1 PCBA 組件尺寸Tab.1 PCBA component dimensions

圖1 PCBA 組件Fig.1 PCBA component

依據(jù)IPC-A-610G 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊點(diǎn)形貌的要求,J 形和L 形引腳與PCB 裝聯(lián)焊點(diǎn)的形態(tài)參數(shù)分別如圖2 和圖3 所示,其中A為懸出長(zhǎng)度,W為引腳寬度,D為焊點(diǎn)側(cè)面最小長(zhǎng)度,L為引腳長(zhǎng)度,F為焊接填充高度,T為引腳厚度,G為焊料厚度(初始取值為0.1 mm)。

圖2 J 形引腳焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)Fig.2 J-leads solder joint morphological parameters

圖3 L 形引腳焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)Fig.3 L-leads solder joint morphological parameters

IPC-A-610G 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)J 形和L 形引腳裝聯(lián)焊點(diǎn)的焊接形態(tài)質(zhì)量可接受性規(guī)定如表2 所示。

表2 焊點(diǎn)形貌質(zhì)量可接受性規(guī)定Tab.2 Specification of acceptable quality of weld joint form

依據(jù)焊點(diǎn)形貌質(zhì)量可接受性規(guī)定,本文對(duì)PLCC、SO 封裝集成元器件的J 形和L 形引腳焊點(diǎn)分別設(shè)計(jì)了如表3 所示的7 種焊接形態(tài)參數(shù)組合樣本,建立了對(duì)應(yīng)的PCBA 幾何模型。

表3 振動(dòng)仿真的J 形和L 形焊點(diǎn)樣本Tab.3 J-shaped and L-shaped solder joints sample for vibration simulation

1.2 材料參數(shù)

表4 列出了PCBA 中各組件材料類(lèi)型,各材料的力學(xué)參數(shù)如表5 所示。

表4 PCBA 各組件材料Tab.4 PCBA component materials

表5 PCBA 的材料參數(shù)Tab.5 Material parameters of PCBA

1.3 網(wǎng)格模型

應(yīng)用HyperMesh 2017 軟件建立如圖4 所示的詳細(xì)、精確的PCBA 3D 有限元模型(FEM),PCB 和元器件封裝采用8 節(jié)點(diǎn)的六面體solid185 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,焊點(diǎn)和引腳采用如圖5 所示的solid185 單元和10 節(jié)點(diǎn)solid92 混合劃分網(wǎng)格,元器件封裝、引腳、焊點(diǎn)、焊盤(pán)與PCB 的連接位置均采用多尺寸梯度網(wǎng)格平滑過(guò)渡,避免因單元尺寸劇烈變化帶來(lái)的局部應(yīng)力集中等計(jì)算錯(cuò)誤。

圖4 PCB 和元器件的有限元模型Fig.4 Finite element model of PCB and component

圖5 引腳與焊點(diǎn)的有限元模型Fig.5 Finite element model of leads and solder joints

1.4 約束邊界與載荷條件

元器件封裝、引腳、焊點(diǎn)、焊盤(pán)與PCB 各組件接觸界面之間采用如圖6 所示的6 自由度節(jié)點(diǎn)耦合約束;對(duì)圖1 中PCBA 上四個(gè)安裝孔位置采用6 自由度為0的剛性約束處理。

圖6 各組件接觸界面之間的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)耦合(J1 樣本)Fig.6 Grid node coupling between component contact interfaces (J1 sample)

在PCB 板面法向?qū)CBA 的四個(gè)安裝孔施加隨機(jī)振動(dòng)載荷,其振動(dòng)頻率范圍為15～2000 Hz,振動(dòng)功率譜密度(PSD)為0.04g2/Hz,均方根值(RMS)為8.9g。

1.5 隨機(jī)振動(dòng)分析

利用ANSYS Workbench18 軟件對(duì)表3 中各PCBA樣本對(duì)象分別進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)和PCB 板法向的隨機(jī)振動(dòng)譜分析計(jì)算,獲取PCBA 振動(dòng)模態(tài)頻率和振型,并確定元器件引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)上1σVon-Misses 等效振動(dòng)應(yīng)力大小、分布云圖及最大應(yīng)力出現(xiàn)位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 PCBA 振動(dòng)模態(tài)特性

表6 和表7 分別列出了表3 中J 形和L 形引腳PCBA 各樣本的振動(dòng)模態(tài)頻率,兩類(lèi)引腳PCBA 樣本的前三階模態(tài)振型如圖7 所示。計(jì)算結(jié)果顯示,各樣本模態(tài)頻率值之間的差異很小,其前三階模態(tài)振型基本一致,而且PLCC、SO 封裝元器件外形、尺寸及引腳差異帶來(lái)的模態(tài)頻率變化率小于1.5%。

圖7 PCBA 前三階模態(tài)振型云圖Fig.7 PCBA first three order modal vibration clouds

表6 各J 形引腳焊點(diǎn)樣本的PCBA 模態(tài)頻率Tab.6 PCBA modal frequencies for each J-leads sample

表7 各L 形引腳焊點(diǎn)樣本的PCBA 模態(tài)頻率Tab.7 PCBA modal frequencies for each L-leads sample

2.2 PCBA 及各組件振動(dòng)應(yīng)力分布

各PCBA 樣本的隨機(jī)振動(dòng)譜分析結(jié)果顯示:圖8所示的PCBA 四個(gè)安裝孔和元器件附近的應(yīng)力水平明顯高于其他位置;圖9 和圖10 分別所示的PLCC、SO元器件引腳、焊點(diǎn)的最大振動(dòng)應(yīng)力均出現(xiàn)在其封裝的四個(gè)直角附近(即為危險(xiǎn)引腳或焊點(diǎn)),J 形引腳上最大應(yīng)力均位于其下端弧面外側(cè),L 形引腳最大應(yīng)力在大多數(shù)情況下出現(xiàn)在引腳與封裝體連接根部(L4、L5樣本例外);圖11 和圖12 分別所示的PLCC、SO 元器件焊盤(pán)的最大應(yīng)力也出現(xiàn)在靠近封裝直角的位置,且在大多數(shù)情況下位于與PCB 連接一側(cè)端面邊緣(J3 樣本例外)。綜合模態(tài)和振動(dòng)應(yīng)力的分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)元器件引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的振動(dòng)應(yīng)力主要由PCBA的第一階模態(tài)振型誘發(fā)。

圖8 PCBA Von-Misses 等效應(yīng)力云圖Fig.8 Von-Misses stress distribution for PCBA

圖9 J 形引腳與焊點(diǎn)Von-Misses 等效應(yīng)力云圖(J2 樣本)Fig.9 Von-Misses stress distribution for J-lead solder joints (J2 sample)

圖10 L 形引腳與焊點(diǎn)Von-Misses 等效應(yīng)力云圖(L2 樣本)Fig.10 Von-Misses stress distribution for L-lead solder joints (L2 sample)

圖11 J 形引腳的焊盤(pán)Von-Misses 等效應(yīng)力云圖(J2 樣本)Fig.11 Von-Misses stress distribution for J-lead pads (J2 sample)

圖12 L 形引腳的焊盤(pán)Von-Misses 等效應(yīng)力云圖(L2 樣本)Fig.12 Von-Misses stress distribution for L-lead pads (L2 sample)

2.3 形態(tài)參數(shù)A/W 對(duì)引腳和焊點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力的影響

不同懸出形態(tài)參數(shù)A/W的PCBA 樣本的J 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的最大1σVon-Misses 等效振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。隨著A/W參數(shù)值增加,J 形引腳和焊點(diǎn)上的振動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì),但變化幅度小于1.2%;而焊盤(pán)上振動(dòng)應(yīng)力則呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì),特別是當(dāng)A/W為0.5 時(shí),焊盤(pán)上的最大振動(dòng)應(yīng)力增加了55.8%,并位于如圖13 所示的焊盤(pán)與焊點(diǎn)連接的中間位置。計(jì)算結(jié)果表明,PLCC 封裝元器件的懸出形態(tài)參數(shù)A/W增加可能導(dǎo)致其焊盤(pán)最先出現(xiàn)振動(dòng)損傷,如焊盤(pán)與焊點(diǎn)之間、焊盤(pán)與PCB 之間發(fā)生斷裂(或剝離)。

表8 不同A/W 參數(shù)樣本的J 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)最大振動(dòng)應(yīng)力Tab.8 Maximum vibration stress on J-leads,solder joints and pads for samples with different A/W parameters

圖13 不同A/W 參數(shù)樣本的焊盤(pán)最大應(yīng)力位置變化Fig.13 Variation of the maximum stress position of the pad for different samples of A/W parameters

不同懸出形態(tài)參數(shù)A/W的PCBA 樣本的L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的最大1σVon-Misses 等效振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 不同A/W 參數(shù)樣本的L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)最大振動(dòng)應(yīng)力Tab.9 Maximum vibration stress on L-leads,solder joints and pads for samples with different A/W parameters

隨著A/W參數(shù)值增加,L 形引腳的振動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)出單調(diào)減少的趨勢(shì),其變化幅度小于2.1%;而焊點(diǎn)和焊盤(pán)上振動(dòng)應(yīng)力均呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì),其中焊點(diǎn)上振動(dòng)應(yīng)力變化幅度達(dá)到了40.5%,而焊盤(pán)上振動(dòng)應(yīng)力變化幅度小于10.7%。計(jì)算結(jié)果表明,隨著SO 封裝元器件的懸出形態(tài)參數(shù)A/W增加,焊點(diǎn)出現(xiàn)振動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)更高。

2.4 形態(tài)參數(shù)D/W(或D/L)對(duì)引腳和焊點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力的影響

不同側(cè)面長(zhǎng)度形態(tài)參數(shù)D/W的PCBA 樣本的J 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的最大1σVon-Misses 等效振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。隨著D/W參數(shù)值減少,J 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的振動(dòng)應(yīng)力均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),其中焊點(diǎn)上振動(dòng)應(yīng)力變化幅度達(dá)到了33.8%,而引腳和焊盤(pán)上振動(dòng)應(yīng)力變化幅度分別小于13.9%和6.3%。計(jì)算結(jié)果表明,若將PLCC 封裝元器件的側(cè)面長(zhǎng)度形態(tài)參數(shù)D/W值控制在1.8 左右時(shí),不僅能夠明顯增強(qiáng)焊點(diǎn)的抗振動(dòng)損傷能力,還可減少J 形引腳和焊盤(pán)的振動(dòng)應(yīng)力損傷風(fēng)險(xiǎn)。

表10 不同D/W 參數(shù)樣本的J 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)最大振動(dòng)應(yīng)力Tab.10 Maximum vibration stress on J-leads,solder joints and pads for samples with different D/W parameters

不同側(cè)面長(zhǎng)度形態(tài)參數(shù)D/L的PCBA 樣本的L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的最大1σVon-Misses 等效振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 不同D/L 參數(shù)樣本的L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)最大振動(dòng)應(yīng)力Tab.11 Maximum vibration stress on L-leads,solder joints and pads for samples with different D/L parameters

隨著D/L參數(shù)值減少,L 形引腳和焊點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),其中引腳上振動(dòng)應(yīng)力變化幅度小于6.5%,焊點(diǎn)上振動(dòng)應(yīng)力變化幅度小于3.3%;而焊盤(pán)上振動(dòng)應(yīng)力均呈現(xiàn)單調(diào)減少的趨勢(shì),變化幅度約為15.7%;D/L參數(shù)減少,會(huì)導(dǎo)致L 形引腳的最大應(yīng)力部位發(fā)生變化,如圖14 所示由引腳與封裝連接位置轉(zhuǎn)移到了引腳下部折彎處。計(jì)算結(jié)果表明,SO 封裝元器件的側(cè)面長(zhǎng)度形態(tài)參數(shù)D/L變化對(duì)焊盤(pán)振動(dòng)應(yīng)力的影響更顯著。

圖14 不同D/L 參數(shù)樣本的L 形引腳最大應(yīng)力位置變化Fig.14 Variation in maximum stress position of L-leads for different D/L parameter samples

2.5 形態(tài)參數(shù)F 對(duì)引腳和焊點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力的影響

不同填充高度形態(tài)參數(shù)F的PCBA 樣本的J 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的最大1σVon-Misses 等效振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表12。隨著F參數(shù)值增加,J 形引腳的振動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),其振動(dòng)應(yīng)力變化幅度小于13.6%;而焊點(diǎn)和焊盤(pán)上振動(dòng)應(yīng)力均呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì),焊點(diǎn)上振動(dòng)應(yīng)力變化幅度達(dá)到了15.3%,焊盤(pán)振動(dòng)應(yīng)力變化幅度小于1.3%。計(jì)算結(jié)果表明,隨著PLCC 封裝元器件的填充高度形態(tài)參數(shù)F增加,會(huì)提高J 形引腳和焊點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力水平,帶來(lái)?yè)p傷風(fēng)險(xiǎn)。

表12 不同F(xiàn) 參數(shù)樣本的J 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)最大振動(dòng)應(yīng)力Tab.12 Maximum vibration stress on J-leads,solder joints and pads for samples with different F parameters

不同填充高度形態(tài)參數(shù)F的PCBA 樣本的L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的最大1σVon-Misses 等效振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表13。隨著F參數(shù)值增加,L 形引腳和焊盤(pán)的振動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì),但引腳振動(dòng)應(yīng)力變化幅度不大于0.02%,焊盤(pán)振動(dòng)應(yīng)力變化幅度小于4.9%;而焊點(diǎn)上振動(dòng)應(yīng)力均呈現(xiàn)單調(diào)減少的趨勢(shì),振動(dòng)應(yīng)力變化幅度不大于4%。計(jì)算結(jié)果表明,SO 封裝元器件的填充高度形態(tài)參數(shù)F變化,對(duì)L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)振動(dòng)應(yīng)力水平的影響不顯著。

表13 不同F(xiàn) 參數(shù)樣本的L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)最大振動(dòng)應(yīng)力Tab.13 Maximum vibration stress on L-leads,solder joints and pads for samples with different F parameters

3 結(jié)論

目前關(guān)于J 形和L 形引腳類(lèi)表貼元器件振動(dòng)可靠性研究的成果,基本默認(rèn)這樣一個(gè)前提或假設(shè):當(dāng)焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)符合IPC-A-610G 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)焊接要求時(shí),表貼元器件焊點(diǎn)振動(dòng)可靠性處于良好/較優(yōu)狀態(tài)。綜合本文中PLCC、SO 封裝元器件及其PCBA 的模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果,則證明了J 形和L 形引腳類(lèi)表貼元器件的焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)即使符合IPC-A-610G 標(biāo)準(zhǔn)要求,在振動(dòng)環(huán)境中,表貼元器件引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)上的振動(dòng)應(yīng)力也并未達(dá)到最小或較小水平,即焊點(diǎn)振動(dòng)可靠性并不處于最佳或較優(yōu)狀態(tài)。因此,在J 形和L 形引腳類(lèi)表貼元器件的裝聯(lián)工藝實(shí)施過(guò)程中,應(yīng)持續(xù)開(kāi)展焊接形態(tài)參數(shù)優(yōu)化,以進(jìn)一步增強(qiáng)元器件的振動(dòng)可靠性,滿(mǎn)足這類(lèi)元器件在惡劣振動(dòng)環(huán)境中的應(yīng)用需求。具體優(yōu)化措施建議如下:

(1)表貼元器件引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)的振動(dòng)應(yīng)力主要由其PCBA 的第一階模態(tài)振型誘發(fā),提升PCBA 模態(tài)頻率,降低振動(dòng)變形,對(duì)PCBA 上的元器件振動(dòng)可靠性具有明顯提升作用;

(2)懸出形態(tài)參數(shù)A/W增加會(huì)顯著提升PLCC 封裝元器件焊盤(pán)和SO 封裝元器件焊點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力水平,帶來(lái)物理?yè)p傷風(fēng)險(xiǎn),建議將形態(tài)參數(shù)A/W控制在0.25及以下;

(3)合理控制側(cè)面長(zhǎng)度形態(tài)參數(shù)D/W能夠明顯降低PLCC 封裝元器件J 形引腳、焊點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力水平,可明顯減少其焊盤(pán)振動(dòng)應(yīng)力,建議將形態(tài)參數(shù)D/W控制在1.8 左右;側(cè)面長(zhǎng)度形態(tài)參數(shù)D/L減少會(huì)明顯降低SO 封裝元器件焊盤(pán)的振動(dòng)應(yīng)力水平,但會(huì)略增加其引腳的應(yīng)力水平,建議將形態(tài)參數(shù)D/L控制在0.8 左右;

(4)填充高度形態(tài)參數(shù)F增加會(huì)明顯提升PLCC封裝元器件J 形引腳、焊點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力水平,但對(duì)SO 封裝元器件L 形引腳、焊點(diǎn)和焊盤(pán)影響不明顯,建議將形態(tài)參數(shù)F控制在0.33 mm 及以下。