QFP封裝焊點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)分析與優(yōu)化

張偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，嘉興 314033）

前言

在當(dāng)下的電子封裝領(lǐng)域中，四方扁平封裝（Quad Flat Packaging，QFP）由于工藝成熟、方便操作以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在電子封裝界占據(jù)重要的地位。在QFP封裝器件中，焊點(diǎn)作為連接器件與PCB（Printed Circuit Board，PCB）基板之間重要的橋梁，不僅起著電路信號(hào)的傳遞作用，還為封裝器件提供機(jī)械支撐及保護(hù)等作用[1]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，發(fā)生失效的電子元器件中，約有70 %是由封裝及其組裝失效引起的，而封裝失效中絕大部分是由焊點(diǎn)失效導(dǎo)致的一系列連鎖反應(yīng)，引發(fā)封裝失效甚至整個(gè)系統(tǒng)的失效。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際的工程中，電子產(chǎn)品失效有20 %是由振動(dòng)載荷導(dǎo)致的，振動(dòng)載荷所產(chǎn)生的交變應(yīng)力使焊點(diǎn)易發(fā)生機(jī)械疲勞失效[2]。本文采用了ANSYS Workbench 3D有限元分析方法對(duì)實(shí)際工程中的案例單板進(jìn)行模態(tài)分析與隨機(jī)振動(dòng)分析，重點(diǎn)分析了QFP核心器件焊點(diǎn)的應(yīng)力分布，確定應(yīng)力最大點(diǎn)的位置。根據(jù)分析結(jié)果，提出優(yōu)化改進(jìn)措施并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后，將改進(jìn)后的仿真結(jié)果與改進(jìn)前作比較驗(yàn)證措施的有效性。

1 有限元模型的建立

根據(jù)案例單板的結(jié)構(gòu)尺寸及板上元器件的布局與尺寸利用Solidworks三維繪圖軟件進(jìn)行建模并裝配。圖1所示為整板及QFP封裝器件三維模型、圖2所示為QFP封裝器件焊點(diǎn)的三維模型圖。

2 隨機(jī)振動(dòng)載荷下的有限元分析

2.1 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性反應(yīng)了結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力學(xué)載荷的響應(yīng)情況，這一振動(dòng)特性只與結(jié)構(gòu)自身的尺寸、材料和約束有關(guān)，與載荷的輸入量無(wú)關(guān)，我們將這一振動(dòng)特性稱之為模態(tài)[3,4]。因此，在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析之前，必然要先進(jìn)行模態(tài)分析，了解結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性。

按照有限元仿真的一般流程，首先進(jìn)行仿真的前處理，定義材料屬性、網(wǎng)格劃分以及施加約束條件。案例單板的主要結(jié)構(gòu)組成為PCB、陶瓷封裝體、塑封體、焊點(diǎn)及引腳，各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的材料及參數(shù)如表1所示。

有限元分析的核心是網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的優(yōu)劣直接影響分析的精度和仿真結(jié)果，甚至是求解計(jì)算問(wèn)題。ANSYS Workbench提供了5種網(wǎng)格劃分方式，分別為自動(dòng)劃分網(wǎng)格（Automatic）、四面體網(wǎng)格（Tetrahedrons）、六面體域網(wǎng)格（Hex Dominant）、掃掠網(wǎng)格（Sweep）、多重區(qū)域網(wǎng)格（MultiZone），每種網(wǎng)格劃分方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，本案例采用的是自動(dòng)劃分加局部尺寸控制的方式進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，具體的模塊尺寸控制如表2所示。

根據(jù)上述網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖3所示，隨后進(jìn)行網(wǎng)格的質(zhì)量檢查，本案例采用Skewness（單元畸變度）作為檢查項(xiàng)，Skewness是單元相對(duì)于其理想形狀的扭曲程度，其值越接近0質(zhì)量越好，單元畸變度的平均值為0.52，說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量良好。

網(wǎng)格劃分完成后，需要對(duì)其進(jìn)行施加約束條件，根據(jù)實(shí)際的工程情況，本案例單板是通過(guò)主板二側(cè)按壓的方式約束，在建模時(shí)利用ANSYS SpaceClaim在正反面二側(cè)進(jìn)行切割面操作，切割7 mm的分割面，分別對(duì)4個(gè)切割面進(jìn)行固定約束（Fixed Support）。

以上工作完成后，即可求解模態(tài)，設(shè)置提取前六階模態(tài)，前六階模態(tài)頻率如表3所示。

圖1 整板及QFP封裝器件三維模型

圖2 QFP封裝器件焊點(diǎn)三維模型（寬0.4 mm）

表1 材料參數(shù)設(shè)置

表2 網(wǎng)格劃分方式

2.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

進(jìn)行完模態(tài)分析之后，即可進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，隨機(jī)振動(dòng)分析是基于概率統(tǒng)計(jì)技術(shù)的一種譜分析方法，本案例單板采用的功率譜密度（Power Spectral Density,PSD）如表4所示，PSD激勵(lì)施加于案例單板的固定約束處，即PCB板的四個(gè)切割面。由于案例單板在實(shí)際發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)時(shí)位移變形主要為Z方向，焊點(diǎn)在此方向上所受的交變載荷最大，故PSD激勵(lì)方向設(shè)為Z方向。

求解后，提取隨機(jī)振動(dòng)載荷下的應(yīng)力及位移分布結(jié)果，如圖4所示，分別對(duì)應(yīng)于隨機(jī)振動(dòng)條件下QFP焊點(diǎn)的等效應(yīng)力、剪應(yīng)力及位移分布云圖，最大等效應(yīng)力為28.086 MPa，最大剪應(yīng)力為7.642 4 MPa，均位于QFP封裝器件的左下角的引線焊點(diǎn)處，最大位移變形為0.003 635 7 mm，位于QFP封裝器件的右上角的引線焊點(diǎn)處。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

表3 前六階模態(tài)結(jié)果

3 QFP封裝焊點(diǎn)工藝改進(jìn)與優(yōu)化分析

如前所述，進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)載荷下的有限元分析，獲取了QFP焊點(diǎn)等效應(yīng)力分布及危險(xiǎn)焊點(diǎn)的位置，為了進(jìn)一步減小QFP焊點(diǎn)的最大應(yīng)力值，現(xiàn)對(duì)QFP封裝器件作工藝改進(jìn)，以增強(qiáng)QFP焊點(diǎn)的可靠性。

表4 案例加載的PSD譜

圖4 提取隨機(jī)振動(dòng)載荷下的應(yīng)力及位移分布結(jié)果

改進(jìn)的基本思路主要有以下二個(gè)方面：①Q(mào)FP焊點(diǎn)的改進(jìn)；②QFP封裝體的改進(jìn)。現(xiàn)分別說(shuō)明此二種措施的具體改進(jìn)過(guò)程。

1）QFP焊點(diǎn)的改進(jìn)

QFP焊點(diǎn)在原來(lái)的基礎(chǔ)上整體擴(kuò)寬至0.84 mm（此間距不影響焊點(diǎn)之間的交涉），由于引腳結(jié)構(gòu)不做改變，因此，保證引腳占據(jù)焊點(diǎn)中間位置，焊點(diǎn)二側(cè)的焊縫分別填充至0.23 mm，呈對(duì)稱分布，改進(jìn)后的焊點(diǎn)三維模型如圖5所示。

2）QFP封裝體的改進(jìn)

圖5 新工藝焊點(diǎn)三維模型

圖6 新工藝點(diǎn)膠三維模型

減小QFP焊點(diǎn)的最大應(yīng)力，除了加固焊點(diǎn)外，還可以通過(guò)點(diǎn)膠的方式來(lái)加固封裝體結(jié)構(gòu)，從而減小焊點(diǎn)的支撐力度[5]。案例單板采用如圖6的點(diǎn)膠固支模型，加固在QFP封裝體的四個(gè)端角處，新增點(diǎn)膠材料為環(huán)氧灰膠（密度：2 000 kg/m3；彈性模量：3 GPa；泊松比：0.3）。

對(duì)改進(jìn)后的案例單板再做一次隨機(jī)振動(dòng)分析，按照隨機(jī)振動(dòng)分析的一般流程，先進(jìn)行模態(tài)分析，再進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，具體仿真流程不再贅述。改進(jìn)后的QFP焊點(diǎn)等效應(yīng)力、剪應(yīng)力及位移分布云圖如圖7所示。根據(jù)云圖顯示，最大等效應(yīng)力為20.421 MPa，最大剪應(yīng)力為2.841 1 MPa，均位于QFP封裝器件的左下角的引線焊點(diǎn)處，最大位移變形為0.003 591 mm，位于QFP封裝器件的右上角的引線焊點(diǎn)處。

圖7 QFP焊點(diǎn)應(yīng)力及位移分布云圖

表5 新老工藝結(jié)果比較

將工藝改進(jìn)前后的隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果匯總為表5，比較改進(jìn)前后的焊點(diǎn)應(yīng)力最大值發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)力和剪應(yīng)力明顯減小，說(shuō)明了工藝改進(jìn)措施的有效性。由于該QFP焊點(diǎn)的材料為63Sn37Pb，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6]，63Sn-37Pb的抗拉強(qiáng)度為52 MPa，抗剪強(qiáng)度為26.8 MPa，對(duì)比改進(jìn)前后的等效應(yīng)力與剪應(yīng)力，均明顯小于焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，進(jìn)一步說(shuō)明了改進(jìn)措施的有效性和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例單板從三維建模到隨機(jī)振動(dòng)分析，給出了基于ANSYS Workbench隨機(jī)振動(dòng)仿真的一般性流程。由于重點(diǎn)分析QFP封裝焊點(diǎn)在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的應(yīng)力分布情況，對(duì)QFP焊點(diǎn)和引腳做了詳細(xì)建模處理，根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)仿真分析結(jié)果，確定了危險(xiǎn)焊點(diǎn)的位置及最大應(yīng)力值。通過(guò)改進(jìn)QFP焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和增加點(diǎn)膠固支的措施，對(duì)QFP封裝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。改進(jìn)優(yōu)化后的單板重新做一次隨機(jī)振動(dòng)仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明改進(jìn)措施有效的減小了QFP焊點(diǎn)的最大應(yīng)力值。本文給出了單板隨機(jī)振動(dòng)仿真的工作流程，提出的優(yōu)化改進(jìn)措施經(jīng)驗(yàn)證措施有效，可以為電子封裝的行業(yè)人員提供參考與借鑒。