底部端子元器件焊点热应力仿真分析与优化设计

2019-05-28胡形成

制导与引信 2019年3期

黄凯，胡形成，李冰，刘宇

(上海无线电设备研究所，上海201109)

0 引言

为实现无线电设备向小型化、轻量化、高性能方向发展，某产品选用方形扁平无引脚封装器件代替传统带引线的封装器件。该类器件采用四方扁平无引脚封装结构，具有较低的引线电阻和自感系数。由于底部设计了较大的散热焊盘，芯片具有良好的散热性能[1]。该类封装形式比较适用于无线电设备大功率类芯片。

无线电设备的使用环境温度范围宽，最高温度为60 ℃，最低温度-40 ℃。产品中运用了大量的方形扁平无引脚封装器件。该类器件体积小、引脚小、引脚间距小，有必要针对方形扁平无引脚封装器件在大温差环境下使用工况，开展焊点长期可靠性研究。

1 器件概述

该器件为表面贴装器件，采用QFN 封装，外形尺寸：3 mm×3mm×1 mm。器件共有17个底部引脚，如图1所示。

图1 器件外形

图1中，器件的引脚间最小间距为0.2 mm。生产中使用高精密度激光模板进行焊膏刷印，采用成熟的回流焊工艺。

2 热应力仿真分析

无线电设备电路板组件主要由垫板、焊料、电路板、芯片组成，其组成示意图如图2所示。

图2 电路板组件构成

图2中，垫板的材料为黄铜H62，焊料的材料为锡铅63Sn37Pb，电路板为IsoClad 917，引脚为铜合金铜合金Cu194，塑封为由86.9%的SiO212.8%的环氧和苯酚树脂组成的化合物。

各组成部分的材料性能参数，如表1所示[2]。

表1 材料性能参数

表1中，电路板材IsoClad 917为各向异性材料，X、Y、Z三个方向的热膨胀系数均有差异。

锡铅63Sn37Pb焊料的弹性模量和泊松比，如表2所示。

表2 焊料的力学特性

表2中，焊料随着温度的变化，相应的弹性模型和泊松比也有一定的变化。为了考虑锡铅63Sn37Pb焊料的蠕变特性，热力学仿真中建立Anand本构模型参数，如表3所示[3]。

本构方程有九个关键参数，能够比较准确的描述锡铅63Sn37Pb焊料的蠕变特性。

由于电路板组件中存在不同的材料，各材料的热膨胀系数不一致，在变化的温度场下(-40℃～+60℃)，组件产生热变形，如图3所示。

图3中，随着温度变化，组件将发生翘曲变形。焊点作为连接微带板和器件引脚之间的材料，会产生热应力。

表3 焊料的Anand本构模型参数

图3 组件热变形

利用有限元软件Workbench，对器件焊点进行高温60 ℃热应力仿真，计算焊点热应力如图4所示。

图4 高温下焊点热应力

图4中，焊点处最大冯米斯应力为13.6 MPa，小于焊料许用强度41 MPa。

对器件焊点进行低温-40 ℃热应力仿真，计算器件焊点的热应力如图5所示。

图5 低温下焊点热应力

图5 中，焊点处最大冯米斯应力为34.5 MPa，小于焊料许用强度41 MPa。

经分析对比可知，器件引脚焊点在高低温下的应力情况如下：

a)焊点在高温60 ℃时的应力应变较小，密斯应力为13.6 MPa。

b)焊点在低温-40 ℃时的应力应变最大，密斯应力为34.5 MPa，接近焊料的许用强度;

由于低温-40 ℃时，焊点应变最大。根据文献[4]，要确保锡铅63Sn37Pb焊点长期可靠，焊点的热应力不应大于2.75 MPa。根据对失效器件的有限元分析，失效焊点的应力远远大于文献要求，存在长期使用风险。

3 优化措施

焊点的应力主要由以下因素决定：

a)使用温度范围;

b)电路板、芯片、焊料热膨胀系数的匹配情况;

c)焊点的高度、形状。

经综合分析成本、成熟度和技术风险，采取优化电路板热膨胀系数的方案，达到芯片与电路板的热膨胀系数匹配的目的，减少焊点热应力。

标准IPC-7093-CN《底部端子元器件设计和组装工艺实施》指出“CTE 合理调整包括选择PCB或元器件的材料或材料组合来达到最佳CTE设计：对于耗散功率的主动元器件，最佳DCTE(CTE设计)是(1～3)ppm/℃(取决于耗散的功率)，同时印制板具有较大CTE;对被动元器件来说，最佳DCTE 为0 ppm/°C。当然，由于组件有多种元器件，全面CTE最佳化不可能对所有元器件都达成”。

罗杰斯4350B 电路板的热膨胀系数(X10 Y12 Z31)与器件塑料封装的膨胀系数十分匹配，X 方向相差3 ppm/℃，Y 方向相差1 ppm/℃，满足标准IPC-7093-CN《底部端子元器件设计和组装工艺实施》的要求。因此，开展选材优化，选用4350B材料制作电路板。经热应力仿真分析，焊点的最大热应力为2.35 MPa，满足设计需求。