不同引线出线方式对QFP器件焊点振动应力的影响分析*

成 鑫，醋强一，刘治虎，王 滨

(西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

随着电子元器件的封装技术朝着微型化的方向不断发展，要求使用轻重量、宽频、高耐温性、细引线间距的封装形式。方形扁平封装(QFP)在实际应用中使用广泛。QFP是外形为正方形或矩形，四边具有翼形引线的扁平封装形式[1]。

在QFP封装中，焊点作为表面贴装芯片与PCB(printed circuit board)基板之间的连接，起到了电信号传递、散热、结构加固与支撑等作用，焊点失效将直接导致电子元器件失效，而焊点往往最先失效。以往的研究主要致力于焊点的热应力分布影响[2-5]，根据美国空军电子工业部门的统计，电子设备失效20%是由于振动作用导致的[6]。因此，对QFP器件在随机振动载荷下的应力场进行分析，具有重要的理论意义和应用价值。

QFP封装中，引线的出线方式主要有三种，分别为从顶部出线、中间出线以及底部出线。随着元器件国产化需求日益提高，但元器件厂家对于引线的出现方式并没有严格规定，导致QFP器件的可靠性无法得到保证。笔者主要工作是采用有限元方法，对QFP封装在随机振动载荷下采用不同的出线方式对于器件焊点的可靠性的影响进行研究，为提高QFP器件可靠性提供指导。

1 有限元模型

文中选择QFP器件作为研究对象，其组成结构从上而下包括塑料封装、引线、焊点铜盘和PCB板五层结构如图1所示。

图1 QFP器件结构图

为了比较不同的引线出线方式对于QFP器件在承受振动载荷时的应力，分别让引线从顶部、中间以及底部出线建立模型，三种模型中铜盘的尺寸和位置固定，仅改变引线的出线位置。其中，塑料封装尺寸为24 mm×24 mm×1.5 mm，PCB板尺寸为60 mm×60 mm×2 mm，引线截面宽度为0.2 mm，引线间距为0.635 mm，铜盘厚度为0.05 mm。焊点形状随引线底部形状而变化，如图2所示。

图2 引线三种出线方式示意图

QFP封装中引线和铜盘使用的材料为Copper Alloy(C19400)，焊点使用的材料为Sn63Pb37。各组成的力学性能参数如表1所列。

表1 材料参数

QFP器件在模型处理时通过节点融合的网格处理方式将各个结构件的接触面网格协调起来。通过PCB板与外部连接，假设对PCB板底部四个角点采用固定约束。

2 模态分析

振动模态是弹性材料的固有特性。通过模态分析可以分析结构在此频段在振源下产生的实际振动响应。QFP器件引线从顶部出线、中间出线和底部出线的一阶振型如图3所示。

图3 引线三种出线方式一阶振型

从仿真结果中可以看出，从顶部、中间和底部出线时，PCB板一阶固有频率分别为：480.69 Hz、477.75 Hz和497.08 Hz。三种引线出线方式对于PCB板的固有频率影响较小。

3 随机振动分析

采用ANSI/VITA47.1[7]标准中的Class V3作为振动条件进行输入，振动谱如图4所示。

图4 随机振动频谱图

使用图4所示的振动条件对QFP器件进行激励，由于垂直板面方向(Z向)的振动变形最大，对器件的振动损伤最大，因此本文中只考虑振动方向为Z向时的响应。QFP器件引线从顶部出线、中间出线和底部出线的焊点的3σ应力云图如图5所示。

图5 QFP器件焊点3σ应力云图

从仿真结果中可以看出，QFP器件引线从顶部出线、中间出线和底部出线的焊点的最大应力分别为：12.5 MPa、40.5 MPa和52.5 MPa。焊料疲劳极限为15 MPa，QFP器件引线从顶部出线的焊料最大应力小于焊料的疲劳极限处于安全范围内。从中间出线和底部出线的焊料最大应力大于焊料的疲劳极限，会在很短的时间内发生失效。因此引线从顶部出线的QFP器件是最佳选择。

4 结 语

随着电子元器件的封装技术朝着微型化的方向不断发展，QFP器件在实际应用中使用广泛。文中采用有限元方法，对QFP封装在随机振动载荷下采用不同的引线出线方式对于器件焊点的影响进行研究，结果显示，引线从顶部出线的QFP器件焊点振动应力远小于从中间出线以和底部出线的QFP器件,且小于焊点的疲劳极限。这一研究为提高QFP器件可靠性提供指导。