雙通道數字電源開關封裝結構應力及優化分析

吳畏

【摘 要】雙通道數字電源是目前機械與設備生產中較常使用的裝置，它既能夠根據設備需求調控電流的供應參數，同時憑借雙通道的優勢，也能夠使供電穩定性得以增強。此種功能主要與電源內部芯片有關，而封裝作為固定芯片最重要的操作步驟，若是在結構應力方面出現問題，則勢必會影響芯片安裝的質量。所以，為使雙通道數字電源質量得以保障，必須對封裝結構應力給予重視，確保焊橋設計與結構形式得以優化，才能為后續產品市場的拓展奠定更扎實的基礎。

【關鍵詞】雙通道數字電源;開關封裝;結構應力;優化分析

中圖分類號： TN86;F416.63 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0054-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.026

根據某公司調查資料可知，為滿足產品市場業務得以持續拓展的需求，并鞏固公司在電子器件領域市場競爭地位，目前事業單位結合市場發展環境，對雙通道數字電源開關產品的生產提出了更嚴格的要求，在原有功能性的前提下，也對產品的尺寸、集成度、密度提出了較高的要求，而若是仍舊沿用傳統的焊橋平面搭接，則勢必會造成產品厚度較高且開關結構不穩定等情況，因此現階段主要選用了切割型焊橋設計，以便焊接質量得以保障。

1 應力模擬設計

封裝是將繼承電路裝配為芯片的收尾工作，更詳細的講便是將繼承電路的裸片放置于某塊具備承載功能的基板，而后將管腳引出并固定，以便使雙通道數字電源開關成為整體。結合以往資料可知，封裝過程主要包含了安放、固定、密封及引線等環節，而芯片安裝對精密性要求較高，若是封裝結構產生晃動或偏移等情況，則極易對產品的質量造成極為嚴重的影響，因此在應力模擬設計過程中，管理者便需結合參數與以往的設計經驗，對現有封裝技術進行研究與分析，才能使雙通道數字電源開關封裝質量的可控性得以增強。

結合資料可知，某公司事業部門對目前產品提出了高密度、薄型、多層與集成的產品銷售特點，為達到業界領先的超薄、超小型封裝要求，設計者最先按照以往設計思路對開關封裝進行研究。其中LDF厚度為0.203mm，條帶尺寸為61.5×227.4mm，鋸街設計為0.33mm，密度為14X12×4=672單元/條，底盤尺寸分為2.00×1.55mm、0.92×1.62mm、0.92×1.62mm，鍍層類型選用PPF。過程中，設計人員需預先規劃好基板MOS芯片放置部位，而后再將芯片按照布局要求查看觸點是否接觸良好，之后，將芯片與底板焊接，再使用管腳連接好芯片和基板，確認無誤后再將標簽貼在最上端。[1]

上述封裝措施元件總厚度為0.620mm，芯片外包裝為0.80mm。從工藝角度來看，如何更好地控制打線弧高的控制是產品控制厚度與應力結構的要點，若仍舊沿用以往的等效處理方法，則芯片在焊接精度方面或許會出現較小幅度的偏差，雖不會對雙通道數字電源開關功能造成影響，但勢必會影響到管腳的正常安置。

因此，設計者提出切割型焊橋設計理念，并結合產品要求擬定了多款焊橋框架作為實驗對象，最終將芯片尺寸規格定在了50.820×51.080mm，鋸街為0.33mm，密度為1275和2550單元/條。而焊橋上做凸點設計，凸點與芯片用燒結銀進行焊接，增加了焊點與基板、芯片之間的接觸面積，使得雙通道數字電源的開關焊橋質量得以顯著提升，并在原有基礎上，使封裝厚度顯著降低，滿足了事業部門的市場戰略需要。

2 封裝結構應力分析

從芯片所選型號與焊橋技術的轉變可知，原有封裝結構的厚度與質量都產生了較大的變化，若要保持芯片組的穩定性，則需要在結構單元轉換后，對現有封裝結構的應力進行分析，確保應力能夠持續控制在限值狀態下。

根據雙通道數字電源開關的布置形式與結構特點可知，兩組芯片的安裝具有對稱性，并且封裝措施與元件選用相同，因此為降低模型數據的計算量，將選用1/4模型對應力數據進行分析。其次，遵循等效應力第四強度的理論，管理人員還需認真核查產品在使用過程中，熱量等因素是否會對材料造成損害，甚至使材料出現屈服現象。為了更好且更全面地了解封裝結構狀況，管理人員便需識別應力的大小與分布狀況。[2]

通過結構模型可知，產品封裝管腳一側應力明顯高于其他處，并且由相關實驗表明，不同材料受熱膨脹系數的差異性，會使產品封裝熱應力水平提升，并產生較大的形變量，因此在材料膨脹過程中，管腳管給予較大的限制應力，而結合模型受力環境可知，受應力影響最明顯的區域便是焊橋上凸點處與底部接觸位置。此種應力分布情況，主要是因為焊橋作為連接基板與芯片的媒介，也具備彈塑性體的特點，在焊接過程中為避免對芯片結構與單元造成損害，通常會距離中心位置較遠，而在管腳施以壓力時，便不可避免地使芯片材料產生微小形變，此種狀態下若受熱膨脹系數等因素影響，則極易使形變量變大，甚至直接超過材料的限值，長此以往勢必會使芯片的質量受損。

3 焊橋設計優化

雙通道數字電源開關封裝結構對內置芯片散熱的殘余應力影響較大，若是并未結合產品要求對焊橋結構進行優化，使其塑性約束力得以下降，則勢必會因為材料的熱膨脹性使芯片整體或局部結構承受較大的應力，甚至可能使其內部單元造成損害，造成數字電源的功能性受阻。因此，如何選用適宜的焊橋結構參數與封裝結構非常重要。

以封裝結構受力最明顯的部位舉例，為降低熱膨脹應力對各處焊球施加作用力，本項目焊球在高度、間距與直徑方面均可作為優化參量，借助軟件對上述參量進行調整與深入研究，便能夠使產品內部應力影響得以顯著降低。過程中，可選用正交試驗設計方法，對各類因素進行排列，列舉各項參數的數值，并在參量變化期間，認真觀察產品整體結構應力變化的規律與特點，并做好各項數據的記錄工作，以便找尋到更適宜的優化參數。[3]

但結合設計資料來看，不論參量如何變化，封裝結構內的最大應力均停留在外邊緣及接觸點位。因此，以二者作為影響要素，并結合正交實驗表分別列舉出不同焊橋高度、間距與直徑中最大應力的數值，而后從中選擇最適宜的焊橋數據，便能使封裝質量得以增強。

而整體封裝結構的優化，則可以選擇以下三種方法：

1）直接優化法：在不考慮減薄封裝體厚度情況下，通過利用工程軟件對目標變量進行直接優化。通過利用通用的零階優化方法選取十個以上影響因子當作設計變量，其取值應符合封裝標準要求。

2）固定因子優化法：根據前文分析結果及直接優化固定在相應水平，并以其他八個影響因子對目標量進行再一次應力優化。

3）固定因子優化封裝高度法：通過總結分析結果，在以降低封裝高度為目標函數基礎上，將固定在不同水平可以保障凸點處持續處于較低的應力水平，再有就是講密封劑高度作為目標變量，保障芯片表明上密封劑厚度符合工藝要求。

4 實驗驗證

試驗指標是試驗研究過程的因變量，在試驗中根據試驗目的而確定的衡量試驗結果的特征量稱為試驗指標。根據封裝結構失效主要表現為芯片開裂、封裝體翹曲兩種，分層則是其中主要的失效表現，進而再導致后續的電性失效。在本問題中可選定芯片上第一主應力極大值、黏合劑上剪切應力極大值、封裝體上下表面高度差為試驗指標。其次，還需判斷影響試驗結果的影響要素，確保將每項要素納入正交試驗的考慮范疇之內，判斷會對雙通道數字電源封裝結構帶來的影響，并對參數進行適當的調整，才能使實驗驗證的結果更加屬實。

基于實驗驗證的要求，本此實驗選用最為直觀的正交極差分析法，以便正交實驗的結果更便于識別，因此尋求最適宜的生產環境、加工工藝和材料配備。其次，為使各項試驗參數更具可比性，在得出各項數據后，需列舉平均數值，將各組因素標注，并根據極差的大小明確因素的主次影響順序，才能在選擇焊橋方案時，更好把控各項影響要素。最后，結合每組試驗的特點，設計者需篩選出各組最優的組合方案，并分別與原有方案進行核對，分析焊橋處應力的特點與確切數值，以便查看哪組焊橋方案最具優勢，而后再選取數個最具優勢的方案，分析其平均值的高低，以便更好地鞏固實驗結果。[4]

結合上述實驗資料及結果可知，隨著焊球的高度、間距與直徑的不斷增大，外側拐角與接觸點的最大等效應力在不斷減小，因此有理由認為隨著焊球高度的提升，會使周圍的填充物增多，由此借由填充物可有效降低應力的傳導，使封裝受力得到緩沖，而焊球膨脹系數高于填充物，中間層的熱膨脹系數勢必會下降，而焊球與底部接觸點系數差值也會減小，由此整體結構應力指數也會降低。應力之所以隨著焊球間距的增大而減小，是因為隨著焊球間距的增大，中間層等效熱膨脹系數減小，所以中間層與底部接觸位置熱膨脹系數差減小，致使焊球外側拐角與底部接觸位置的最大等效應力不斷減小。而應力之所以隨著焊球直徑的增大而減小，是因為隨著焊球直徑增大，焊球個數相應減小，在選定參數范圍內使得整體中間層銅的比例減小，導致中間層等效熱膨脹系數減小，而使焊球外側拐角與底部接觸位置的最大等效應力不斷減小。因此，在面對事業部門對雙通道數字電源開關產品提出的要求時，設計人員需站在更客觀的角度，以更真實的數據，將焊球高度、間距及直徑的影響，將殘余應力作為憑據，選擇更適宜的檔案，確保產品功能性得以保障，才能在原有基礎上持續變薄、變小，使公司產品在經濟市場中的地位得以鞏固。

5 結論

雙通道數字電源開關產品封裝結構的優化，不但能夠在原有芯片焊橋垂直堆疊工藝基礎上提供密度更高、制片更薄、層數更多且功能高度集成的產品，使此類產品在經濟市場中的地位得到鞏固，同時憑借且切割型焊橋的設計實驗，也更便于調節封裝結構的內部應力，避免因為熱膨脹等元素影響，使產品質量受損。故而，在論述雙通道數字電源開關封裝結構應力及優化分析期間，必須明確影響封裝結構質量的要素，并能夠在技術可控的基礎上改善現有封裝技術，才能使產品的質量得到更多企業及用戶的認可，使公司的市場地位得以鞏固。

【參考文獻】

[1]江偉，王麗鳳.三維封裝銅柱應力及結構優化分析[J].焊接學報，2017（3）.

[2]楊蕊萌，盧曉芹，許柳青.NCS38氣密封鉆桿接頭應力分析與結構優化研究[J].石油機械，2017（2）.

[3]硅基光柵耦合封裝結構的優化設計[J].激光技術，2017（4）.

[4]徐達，白銳，常青松，etal.新型3D射頻封裝結構的可靠性模擬研究[J].電子元件與材料，2017（3）.

[5]金國君，徐愷，檀珺，etal.具有超低反射率的折射率漸變封裝結構[J].光學學報，2019，39（2）.