QFN系列老炼测试插座的设计

2015-03-05张洁，刘敏

机电元件 2015年2期

张洁，刘敏

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

集成电路(简称IC)是军用微电子技术的核心，广泛应用于雷达、计算机、通信设备、导航设备、火控系统和电子对抗设备等各类军用装备上，实现了军用电子装备的小型化、轻型化、轻量化、高可靠。为了保证集成电路器件的质量，集成电路制造厂对其生产的每种集成电路封装器件都要进行测试－老练试验，所以必须具备与产量和品种相适应的很多规格的老炼测试插座。

近年来，随着集成电路的飞速发展，集成电路密度越来越高，耐环境适应性能越来越苛刻，相对应的老炼测试插座的节距、耐环境适应性也越来越高，同时还要求使用更便捷。

QFN(全称 Quad Flat No－lead Package，即方形扁平无引脚封装)是一种焊盘尺寸小、体积小，以塑料作为密封材料的新兴的表面贴装芯片封装技术，呈正方形或矩形，封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热，围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连结的导电焊盘。QFN封装件的芯数一般从14到100左右，节距为0.5mm。

图1 QFN封装件结构图

QFN老炼测试插座是QFN封装进行老炼测试必备的试验装置，其结构根据封装件结构形式、节距和接触件数目而设计，本文主要介绍QFN老炼测试插座的设计。

2 技术要求

QFN系列老炼测试插座是为QFN系列集成电路封装件进行老炼测试的专用插座。其使用环境是实验室内。在设计时应充分考虑温度、湿度、寿命等综合因素的影响。典型QFN系列老炼测试插座需满足的要求如下:

接触电阻:≤20mΩ;

绝缘电阻:≥5000MΩ。

介质耐电压:600V;

工作温度范围:－65℃ ～150℃;

机械寿命:10000次;

高温寿命:150℃，1000h。

3 QFN插座的设计原则

老炼测试插座设计时，应满足如下设计原则:

零插拔力，即在插拔时对封装件电极触点不施加作用力;

设计的接触压力与接触形状必须合适，保证良好的电接触;

必须满足反复插拔、频繁使用的要求;

接触件的结构与镀层以及绝缘材料的选择必须满足重复使用以及耐高温的要求，防止在高温时氧化与变形。

4 插座结构设计

4.1 整体结构设计

插座的设计最重要的是保护封装件不被损坏，同时还要便于封装元件轻松、快速放入和取出。根据插座的设计原则，插座需设计为零插拔力结构，由接触件、定位装置、机械驱动件和锁紧机构等零部件组成，定位装置、锁紧机构应使得接触件与集成电路芯片形成良好的接触。图2是一种QFN封装件的翻盖式零插拔力老炼测试插座。该插座设计为一端固定一端用卡块锁紧的结构，主要由接触件、安装板、盖板、底座、卡块、扭簧及轴等零件组成。这种类型的插座使用时首先将QFN封装件放入底座中，然后通过机械装置的驱动，闭合机械驱动件;拆卸时只要对机械驱动装置反向施力作用，松开机械驱动件即可。

为了保证绝缘性能好，插座的安装板和定位底座设计有若干个固定接触件的槽，槽之间有薄壁结构以增加接触件的爬电距离，同时为了易于散热冷却，盖板与安装板设计有散热孔。插座盖板上的卡块与安装板扣紧后，盖板给封装件的电极触点以足够的压力，使封装件电极触点与老炼测试插座的接触件可靠地接触。为防止焊料进入接触部位，设计时采用紧配合将接触件压进绝缘体，装入印制电路板后，插座焊接的引出端高于印制电路板1mm～2mm。

图2 翻盖式零插拔力老炼测试插座

要保证插座的性能，插座的材料选择尤为重要。插座体必须选择绝缘性能优秀的材料，同时还必须保证材料的热变形温度高于产品的工作温度。

4.2 定位装置的结构设计

由于QFN系列集成电路的节距很小，为了准确定位封装件，防止接触不可靠，必须设计有定位装置。上述插座的定位装置为底座，如图3所示。底座的槽应略大于封装件的最大外形尺寸，同时底座设计有若干齿状结构，齿的数量根据该插座能兼容的最大封装件决定，相邻齿之间的间距要小于相应QFN封装件电极触点的宽度;保证封装件在产品中只能上下活动，不能左右晃动。

图3 定位底座的结构

4.3 接触件结构与设计

接触件是老炼测试插座的导电弹性零件，任何一个接触件的失效都会引起整个插座的失效。为保证整个试验过程中接触可靠，接触件必须对封装件电极触点足够的正压力以保持稳定的接触电阻。因此，接触件的结构设计及材料选择是产品设计的难点。

产品的接触件结构需要根据封装件结构进行设计，根据封装件的节距与电极触点宽度来设计接触件的厚度。由于QFN封装件的节距小，为了便于焊接，一般将接触件设计为两至三种接触端结构与尺寸完全相同，焊接端位置不同的接触件，接触件装配到安装板后所有接触件的接触端应在同一平面内。接触件的加工方法分为多工序跳步冷冲和光化学蚀刻两种。光化学蚀刻(PCM)是指利用摄影技术生成的掩膜，通过选择性化学侵蚀生产无毛刺、无应力的平整金属元件的工程技术。

接触件的弹性是接触可靠性的保证，但接触件在高温环境中通常会产生应力松弛，使得接触件失去弹性，造成接触不良。在设计中，接触件的材料选用铍青铜带，加工成型后镀覆硬金。铍青铜是一种机械性能、物理性能、化学性能良好结合的有色合金，经固溶和真空时效处理后，具有特殊钢相当的高强度极限、弹性极限、屈服极限和疲劳极限，同时又具有高的导电率、高硬度和耐磨性，高的蠕变抗率及耐腐蚀性能，还具有良好的铸造性能、非磁性和冲击时无火花等性能，可以满足制造和使用要求。

接触件应力要合理计算，以避免造成永久性变形。接触件的设计正确与否采用两种方法进行验证:一是用挠度公式计算接触压力，进行强度校核，以验证结构设计是否正确;二是仿真验证，利用ANSYS仿真软件，对接触件在常温及高温下的受力及变形情况进行二维和三维的模拟仿真。

1)用挠度公式计算接触压力

根据产品的使用要求进行了接触件的结构设计。该研制产品接触件的简化力学模型如图4所示。

图4 接触件其简化力学模型

用梁挠度公式可计算出其接触压力P为:

式中，P为接触压力(单位为N);δ为接触件沿力P方向的位移(单位为m);L为悬臂梁长度(单位为m);E为材料的正割弹性模量(单位为N/m2);J为截面惯性矩(单位为m4)。

弹性模量是材料在弹性范围内应力和应变的比例系数。为了保证弹性元件可靠地工作，需保证弹性元件在发生最大超载挠度的情况下，材料所承受的应力不至于使材料出现塑性变形。设计弹性元件必须满足的强度条件是:

式中:σmax为等截面梁内的最大正应力，Mmax为梁危险截面上的最大弯矩，Wy为抗弯截面系数，［σ］为材料的许用应力。

对于矩形截面:

式中，L为梁的有效长度，b为截面宽度，h为截面厚度。

上述不等式成立，表示有足够的强度，弹性元件的设计是合理的。

2)ANSYS模拟仿真

利用ANSYS模拟仿真软件，可以对接触件的受力及变形情况进行二维和三维的模拟仿真，具有可靠性分析及优化分析能力。首先在PRO/E软件中建立分析模型，在ANSYS中进行线性静态分析，通过查看云图，可以快速定位所关心点和区域的数据。再根据ANSYS模拟出来的应力、应变和支反力等数据，对弹簧的接触点压力和位移进行优化设计，以设计出结构合理、性能优良的接触件。

铍青铜材料弹性模量取135GPa，泊松比取0.3，接触件的加载位置为与封装件电极触点接触部位，采用位移加载方式，在模型固定的位置加载零位移约束;而在力加载点施加一定的位移，位移量的大小取决于驱动机构施加于弹片的作用力所产生的位移，其约束条件的设置和实际样品完全相同。计算时，对所关心的特征点的挠度、应力和总的支反力进行跟踪和比较。通过仿真结果确定接触件的结构设计及材料选择是否合理。图5为一种QFN系列老炼测试插座接触件的仿真，通过仿真结果可以看出，接触件的变形及受力后所产生的应力，小于铍青铜经处理后屈服极限σb=700N/mm2，接触件的结构设计及材料选择是合理的。