探討ADC芯片引腳與印制板之間的固封方式

曹瑞云，劉樹斌，龐宗強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

引言

陶瓷四面扁平封裝器件CQFP（Ceramic Quad FlaPack）是一種先進(jìn)的器件封裝形式，采用了陶瓷基板和鍍金引線，具有體積小、重量輕、封裝密度高、熱電性能好、適合表面安裝、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、航天和航空領(lǐng)域[1][2]。含有此類芯片在形成產(chǎn)品后，往往會(huì)要求既能承受高溫、低溫，也能抵抗沖擊、振動(dòng)（包括隨機(jī)振動(dòng)），并能夠在這種惡劣環(huán)境條件下能夠正常工作。因此為了防止在電裝完成后，芯片引腳與印制板之間出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)或引腳脫焊，有時(shí)要求在芯片與印制板之間進(jìn)行底部灌膠，并且在芯片引腳焊點(diǎn)處，也需要采用涂膠方式進(jìn)行固封。

但是由于芯片引腳較多，為了保證各引腳不脫焊，究竟采用什么方式進(jìn)行焊接引腳的點(diǎn)膠固封防護(hù)更好？并能夠在惡劣的環(huán)境條件下，確保電裝后尺寸較大的集成電路芯片與印制板之間不出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)或引腳脫焊現(xiàn)象。下面通過一具體實(shí)例，介紹一種觀點(diǎn)和思路。

1 現(xiàn)象描述

某產(chǎn)品備機(jī)完成隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，進(jìn)行高溫老煉試驗(yàn)，約19 0h后，出現(xiàn)了信號(hào)電平指 示錯(cuò)誤、信噪比降低、誤碼率、誤幀率和丟幀率升高的故障，恢復(fù)到常溫后，故障現(xiàn)象依然存在。

通過對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行排查和分析，初步判斷在ADC芯片的第25引腳（第7位數(shù)據(jù)線）為常值時(shí)，能夠出現(xiàn)故障現(xiàn)象。并且通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開蓋檢查，在顯微鏡下可以看到產(chǎn)品的ADC芯片第25引腳焊點(diǎn)已經(jīng)脫焊，而且兩片ADC芯片的大部分引腳均發(fā)生了細(xì)小裂紋（見圖1）。

將產(chǎn)品ADC芯片拆除后送元器件失效分析中心進(jìn)行失效分析。得出的結(jié)論是所送的分析樣件一角的4根引腳焊點(diǎn)斷裂。斷裂焊點(diǎn)呈冰糖狀沿晶斷口形貌（見圖2），產(chǎn)生的原因是小應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用的結(jié)果，并且未發(fā)現(xiàn)4根引腳根部與器件管殼焊接部位有裂紋等 損傷。

2 機(jī)理分析

2.1 故障樹分析

圖1 ADC 芯片引腳焊點(diǎn)脫焊照片

圖2 ADC 芯片引腳焊點(diǎn)進(jìn)行失效分析的照片

圖3 故障樹

為了更好準(zhǔn)確地進(jìn)行故障原因分析，將信號(hào)電平指示錯(cuò)誤作為故障樹的頂級(jí)事件，建造了故障樹，如圖3所示。

通過對(duì)外圍設(shè)備多次切換、替換產(chǎn)品內(nèi)部單元及按壓ADC芯片脫焊的引腳等，逐項(xiàng)對(duì)8項(xiàng)故障事件進(jìn)行排查和分析，首先排除了X1至X6的故障事件，但X7和X8需要建立力學(xué)模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析和驗(yàn)證，才能做出判斷。

如圖4所示是ADC芯片部位的安裝圖，產(chǎn)品在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，ADC芯片在隨機(jī)振動(dòng)過程中會(huì)受到一定的應(yīng)力作用。通過對(duì)ADC芯片建立簡(jiǎn)化的力學(xué)模型，進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)力分析（見本文的2.2.1），此時(shí)焊點(diǎn)受力為17.0MPa遠(yuǎn)小于焊點(diǎn)的許用應(yīng)力41MPa，所以焊點(diǎn)不會(huì)在振動(dòng)過程中由于振動(dòng)應(yīng)力瞬間過大發(fā)生脫焊。所以排除了X7的影響。

圖4 印制電路板安裝示意圖

通過以上分析可知，產(chǎn)品在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，又繼續(xù)進(jìn)行了高溫試驗(yàn)，此時(shí)ADC芯片的引腳焊點(diǎn)受到了異常熱膨脹應(yīng)力，由于熱膨脹應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用到焊點(diǎn)，焊點(diǎn)的熱應(yīng)力轉(zhuǎn)換成膨脹的拉伸應(yīng)力，造成ADC芯片引腳焊點(diǎn)脫焊，從而造成產(chǎn)品出現(xiàn)故障，所以X8熱應(yīng)力是導(dǎo)致焊點(diǎn)脫焊的主要原因。

經(jīng)開蓋觀察和分析，該產(chǎn)品目前處于生產(chǎn)階段，產(chǎn)品所進(jìn)行的隨機(jī)振動(dòng)、高溫老煉試驗(yàn)在研制階段也曾順利地完成了此項(xiàng)試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)產(chǎn)品經(jīng)試驗(yàn)后結(jié)果一切正常。此次將生產(chǎn)階段的產(chǎn)品與研制產(chǎn)品的樣件進(jìn)行開蓋對(duì)比檢查，發(fā)現(xiàn)引腳焊點(diǎn)的點(diǎn)膠加固方式有所不同。研制樣件使用的是“底部灌封+四邊點(diǎn)膠” （見圖5）的點(diǎn)膠加固方式，兩片ADC芯片的焊點(diǎn)均未見異常。而生產(chǎn)批使用的是“底部灌封+四角點(diǎn)膠” （見圖6）的點(diǎn)膠加固方式。結(jié)果產(chǎn)品在完成隨機(jī)振動(dòng)后，再進(jìn)行高溫老煉試驗(yàn)，約190h后，出現(xiàn)了該故障現(xiàn)象，恢復(fù)到常溫后，故障現(xiàn)象依然存在。

由此可以判斷，在相同的底部灌封條件下，ADC芯片的引腳焊點(diǎn)不同的點(diǎn)膠方式對(duì)產(chǎn)品的性能質(zhì)量影響很大。

2.2 力學(xué)分析

2.2.1 振動(dòng)力學(xué)分析

由于本分析中假定不考慮ADC芯片內(nèi)部受力，故將封裝體簡(jiǎn)化為殼體，管腳按照data sheet中的數(shù)據(jù)建模，周圍螺釘連接按照實(shí)際位置布局，ADC芯片與電路板之間灌封GD414硅橡膠。按照管腳點(diǎn)膠加固方式建立兩種工況的力學(xué)分析模型。

工況1為“底部灌封+四角固封”，即四邊無(wú)固封，ADC封裝下灌封GD414硅橡膠。

圖5 研制樣件的ADC 芯片引腳焊點(diǎn)的固封方式的照片

圖6 生產(chǎn)批ADC 芯片引腳焊點(diǎn)的固封方式的照片

工況2為“底部灌封+四邊固封”，即四邊固封，ADC芯片封裝下灌封GD414硅橡膠。

為了解隨機(jī)振動(dòng)、高溫老煉條件下兩種不同點(diǎn)膠加固方式對(duì)ADC芯片的焊點(diǎn)處應(yīng)力分布的影響，分別建立力學(xué)分析模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的隨機(jī)振動(dòng)分析。分析中使用到的材料及材料屬性見表1。

按3σ準(zhǔn)則選取隨機(jī)振動(dòng)均方根加速度值的3倍進(jìn)行靜力分析，對(duì)焊點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果見表2。

表1 材料屬性

表2 最大應(yīng)力值

表3 焊點(diǎn)安全裕度

焊點(diǎn)計(jì)算安全裕度MS時(shí)選取安全系數(shù)f=1.5，并按公式（1）計(jì)算。

取Z向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的焊點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行安全裕度計(jì)算，具體值見表3。

2.2.2 熱應(yīng)力分析

2.2.2 .1 熱應(yīng)力分析模型

為了解高溫老煉時(shí)，“底部灌封+四邊固封”及“底部灌封+四角固封”兩種加固方式對(duì)芯片焊點(diǎn)處應(yīng)力分布的影響，建立兩種工況的平面模型，進(jìn)行熱應(yīng)力分析[3]。

工況1為“底部灌封+四角固封”。

工況2為“底部灌封+四邊固封”。

2.2.2 .2 分析結(jié)果

分別對(duì)兩個(gè)分析模型施加75℃的熱載荷，計(jì)算焊點(diǎn)的熱應(yīng)力。

工況1焊點(diǎn)熱應(yīng)力分布如圖7所示，最大應(yīng)力約為5.1MPa。

工況2焊點(diǎn)熱應(yīng)力分布如圖8所示，最大應(yīng)力約為2.89MPa。

2.2.2 .3 焊點(diǎn)蠕變分析

焊點(diǎn)是由63Sn37Pb材料組成，其熔點(diǎn)約為183℃，該材料在室溫下已有蠕變現(xiàn)象。高溫老煉試驗(yàn)條件為+70℃，根據(jù)熱平衡試驗(yàn)可知，ADC芯片處溫升約5℃，故焊點(diǎn)處的溫度約為75℃，為焊點(diǎn)熔點(diǎn)的0.41倍，該溫度下，若焊點(diǎn)處應(yīng)力值大于3MPa，焊點(diǎn)內(nèi)部不但產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，而且會(huì)產(chǎn)生明顯的蠕變變形。由前面分析可知，當(dāng)工況1 “底部灌封+四角固封”點(diǎn)膠加固時(shí)，焊點(diǎn)最大應(yīng)力約為5.1MPa，故該工況下焊點(diǎn)會(huì)發(fā)生很明顯的蠕變變形。

圖7 工況1 焊點(diǎn)熱應(yīng)力分布圖

圖8 工況2 焊點(diǎn)熱應(yīng)力分布圖

為了繼續(xù)證明底部灌封對(duì)產(chǎn)品性能造成的影響，特別做了試驗(yàn)件，在90℃的溫箱中進(jìn)行了24h存儲(chǔ)后，發(fā)現(xiàn)了“底部灌封+四角點(diǎn)膠”固封方式的ADC芯片第65引腳焊點(diǎn)脫焊，大部分引腳的焊點(diǎn)出現(xiàn)了細(xì)小裂紋。

經(jīng)分析ADC芯片底部填充的GD414硅橡膠膨脹系數(shù)（約300ppm）遠(yuǎn)大于ADC芯片，所以產(chǎn)品在高溫試驗(yàn)時(shí)，GD414硅橡膠膨脹，使ADC芯片受到了長(zhǎng)時(shí)間（高溫試驗(yàn)約190h）的膨脹應(yīng)力。由于數(shù)字電路板底部的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱墊限制了PCB的向下形變，當(dāng)GD414硅橡膠受熱膨脹時(shí)，增加了ADC芯片受到的膨脹應(yīng)力。采用“底部灌封+四角點(diǎn)膠”的固封方式時(shí)，引腳四周缺少了GD414硅橡膠的阻尼作用，導(dǎo)致焊點(diǎn)局部受力集中約5.1MPa。這些與元器件失效分析長(zhǎng)時(shí)間小應(yīng)力作用的結(jié)論相符。

為了證明底部灌封是否對(duì)產(chǎn)品性能造成的影響，就顯得尤為重要。因此，由專門的電子裝聯(lián)廠進(jìn)行ADC芯片電裝后，選取了“底部不灌膠，但ADC芯片四邊引腳用膠固封且一角不封口”，按原試驗(yàn)條件進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)和高溫老煉試驗(yàn)后，此種方案試驗(yàn)結(jié)果沒有出現(xiàn)引腳脫焊和開裂現(xiàn)象。

3 總結(jié)

綜上所述，通過建立ADC芯片兩種不同點(diǎn)膠加固方式的分析模型，進(jìn)行了振動(dòng)分析、熱應(yīng)力分析。其結(jié)果為：隨機(jī)振動(dòng)加載時(shí) “底部灌封+四角固封”加固方式下焊點(diǎn)的安全裕度為0.608，“底部灌封+四邊固封”加固方式下焊點(diǎn)的安全裕度為1.135，兩種均有較高的安全裕度；熱應(yīng)力加載時(shí)，“底部灌封+四角固封”加固方式下焊點(diǎn)最大應(yīng)力約為5.1MPa，比“底部灌封+四邊固封”加固方式下焊點(diǎn)熱應(yīng)力（2.89MPa）更大，該加固方式下焊點(diǎn)會(huì)發(fā)生明顯得蠕變變形。

因此，對(duì)于ADC芯片與印制板之間在電裝完成后，采用“底部不灌封+四邊固封，但有一角不需要進(jìn)行封口”進(jìn)行的加固方式目前較為妥當(dāng)。

[1]張偉,王玉龍等.振動(dòng)條件下的CQFP 器件高可靠組裝工藝[J].電子工藝技術(shù),2012（03）:160-164.

[2]許一帆,余詠梅.陶瓷四邊引線扁平外殼工藝研究[J].電子與封裝, 2006,5（9）:22-25.

[3]林丹華.PBGA 封裝熱可靠性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué), 2008.19-20.