焊點形態對表貼引腳元器件振動應力的影響

何 敏,鄧 夢,莊成波

(中國電子科技集團公司第十研究所,四川 成都 610031)

諸如SO 封裝、PLCC 封裝等表貼引腳類元器件具有集成度高、成本低、成品率高等一系列優點,在航空、航天電子設備中得到大量應用。但表貼引腳類元器件在實際振動環境中應用時常出現焊點應力損傷問題,因此,如何降低引腳表貼集成元器件的焊點應力水平來提高電子設備可靠性,是電子設備結構設計、工藝人員非常關心的問題。目前國內外研究人員針對BGA (Ball Grid Array) 封裝類元器件焊點應力損傷或可靠性問題比較重視,從結構參數、材料、空洞缺陷、溫度環境、振動條件對其球形焊點應力或疲勞壽命的影響問題開展了大量研究[1-5],而針對L 形和J 形的表貼引腳類元器件的焊點和引腳應力分析相關研究成果相對比較少,Chen 等[6]和吳玉秀等[7]分別研究了熱循環、焊接溫度對PLCC 和SOJ (Small Out-Line JLeaded) 封裝元器件的J 形引腳和焊點的應力破壞機理或規律;而徐文正等[8]、王考等[9]則基于有限元方法,采用Steinberg 振動疲勞模型和Engelmaier 熱疲勞模型計算了QFP (Quad Flat Package) 封裝元器件的L形引腳和焊點的疲勞壽命;Sakai 等[10]、崔海坡等[11]和姚震等[12]則研究了在熱循環和隨機振動作用下,QFP 封裝的L 形引腳形狀、尺寸、排布、數量和焊料對其焊點的變形、應力影響規律;文獻[13]研究了在熱循環載荷作用下SOP 封裝的5 種L 形引腳結構形狀對其焊點變形、應力的影響規律;文獻[14]和[15]研究了焊接界面IMC (Intermetallic Compound) 層厚度、無鉛焊料材料成分對J 形引腳元器件焊點的熱疲勞壽命的影響;Lee 等[16]研究了J 形引線互連焊點形態的表面化軟件模擬方法,通過靜力學和熱仿真證明減少J 導線互連焊點與FEM 之間的不匹配問題。但現有的研究均未涉及焊點形態參數變化對元器件引腳、焊點和焊盤的振動應力影響關系。本文采用HyperMesh 和ANSYS 軟件,建立了分布安裝PLCC、SO 封裝元器件的兩類PCBA 精確有限元模型,并對模型進行振動仿真,獲得了J 形和L 形兩類引腳元器件的焊接形態參數變化對焊點振動應力的影響規律,為引腳表貼集成元器件(特別是國產元器件)的抗振動損傷設計和表貼工藝優化提供了參考。

1 有限元建模

1.1 幾何模型

PCBA 由元器件封裝、引腳、焊點、焊盤和PCB基板等組成,其結構和尺寸分別如圖1 和表1 所示,PLCC 封裝元器件型號為Topline PLCC44M,SO 封裝元器件型號為Topline SOL24m。

表1 PCBA 組件尺寸Tab.1 PCBA component dimensions

圖1 PCBA 組件Fig.1 PCBA component

依據IPC-A-610G 標準對焊點形貌的要求,J 形和L 形引腳與PCB 裝聯焊點的形態參數分別如圖2 和圖3 所示,其中A為懸出長度,W為引腳寬度,D為焊點側面最小長度,L為引腳長度,F為焊接填充高度,T為引腳厚度,G為焊料厚度(初始取值為0.1 mm)。

圖2 J 形引腳焊點形態參數Fig.2 J-leads solder joint morphological parameters

圖3 L 形引腳焊點形態參數Fig.3 L-leads solder joint morphological parameters

IPC-A-610G 標準對J 形和L 形引腳裝聯焊點的焊接形態質量可接受性規定如表2 所示。

表2 焊點形貌質量可接受性規定Tab.2 Specification of acceptable quality of weld joint form

依據焊點形貌質量可接受性規定,本文對PLCC、SO 封裝集成元器件的J 形和L 形引腳焊點分別設計了如表3 所示的7 種焊接形態參數組合樣本,建立了對應的PCBA 幾何模型。

表3 振動仿真的J 形和L 形焊點樣本Tab.3 J-shaped and L-shaped solder joints sample for vibration simulation

1.2 材料參數

表4 列出了PCBA 中各組件材料類型,各材料的力學參數如表5 所示。

表4 PCBA 各組件材料Tab.4 PCBA component materials

表5 PCBA 的材料參數Tab.5 Material parameters of PCBA

1.3 網格模型

應用HyperMesh 2017 軟件建立如圖4 所示的詳細、精確的PCBA 3D 有限元模型(FEM),PCB 和元器件封裝采用8 節點的六面體solid185 單元劃分網格,焊點和引腳采用如圖5 所示的solid185 單元和10 節點solid92 混合劃分網格,元器件封裝、引腳、焊點、焊盤與PCB 的連接位置均采用多尺寸梯度網格平滑過渡,避免因單元尺寸劇烈變化帶來的局部應力集中等計算錯誤。

圖4 PCB 和元器件的有限元模型Fig.4 Finite element model of PCB and component

圖5 引腳與焊點的有限元模型Fig.5 Finite element model of leads and solder joints

1.4 約束邊界與載荷條件

元器件封裝、引腳、焊點、焊盤與PCB 各組件接觸界面之間采用如圖6 所示的6 自由度節點耦合約束;對圖1 中PCBA 上四個安裝孔位置采用6 自由度為0的剛性約束處理。

圖6 各組件接觸界面之間的網格節點耦合(J1 樣本)Fig.6 Grid node coupling between component contact interfaces (J1 sample)

在PCB 板面法向對PCBA 的四個安裝孔施加隨機振動載荷,其振動頻率范圍為15～2000 Hz,振動功率譜密度(PSD)為0.04g2/Hz,均方根值(RMS)為8.9g。

1.5 隨機振動分析

利用ANSYS Workbench18 軟件對表3 中各PCBA樣本對象分別進行振動模態和PCB 板法向的隨機振動譜分析計算,獲取PCBA 振動模態頻率和振型,并確定元器件引腳、焊點和焊盤上1σVon-Misses 等效振動應力大小、分布云圖及最大應力出現位置。

2 結果與討論

2.1 PCBA 振動模態特性

表6 和表7 分別列出了表3 中J 形和L 形引腳PCBA 各樣本的振動模態頻率,兩類引腳PCBA 樣本的前三階模態振型如圖7 所示。計算結果顯示,各樣本模態頻率值之間的差異很小,其前三階模態振型基本一致,而且PLCC、SO 封裝元器件外形、尺寸及引腳差異帶來的模態頻率變化率小于1.5%。

圖7 PCBA 前三階模態振型云圖Fig.7 PCBA first three order modal vibration clouds

表6 各J 形引腳焊點樣本的PCBA 模態頻率Tab.6 PCBA modal frequencies for each J-leads sample

表7 各L 形引腳焊點樣本的PCBA 模態頻率Tab.7 PCBA modal frequencies for each L-leads sample

2.2 PCBA 及各組件振動應力分布

各PCBA 樣本的隨機振動譜分析結果顯示:圖8所示的PCBA 四個安裝孔和元器件附近的應力水平明顯高于其他位置;圖9 和圖10 分別所示的PLCC、SO元器件引腳、焊點的最大振動應力均出現在其封裝的四個直角附近(即為危險引腳或焊點),J 形引腳上最大應力均位于其下端弧面外側,L 形引腳最大應力在大多數情況下出現在引腳與封裝體連接根部(L4、L5樣本例外);圖11 和圖12 分別所示的PLCC、SO 元器件焊盤的最大應力也出現在靠近封裝直角的位置,且在大多數情況下位于與PCB 連接一側端面邊緣(J3 樣本例外)。綜合模態和振動應力的分析結果,可以發現元器件引腳、焊點和焊盤的振動應力主要由PCBA的第一階模態振型誘發。

圖8 PCBA Von-Misses 等效應力云圖Fig.8 Von-Misses stress distribution for PCBA

圖9 J 形引腳與焊點Von-Misses 等效應力云圖(J2 樣本)Fig.9 Von-Misses stress distribution for J-lead solder joints (J2 sample)

圖10 L 形引腳與焊點Von-Misses 等效應力云圖(L2 樣本)Fig.10 Von-Misses stress distribution for L-lead solder joints (L2 sample)

圖11 J 形引腳的焊盤Von-Misses 等效應力云圖(J2 樣本)Fig.11 Von-Misses stress distribution for J-lead pads (J2 sample)

圖12 L 形引腳的焊盤Von-Misses 等效應力云圖(L2 樣本)Fig.12 Von-Misses stress distribution for L-lead pads (L2 sample)

2.3 形態參數A/W 對引腳和焊點振動應力的影響

不同懸出形態參數A/W的PCBA 樣本的J 形引腳、焊點和焊盤的最大1σVon-Misses 等效振動應力計算結果見表8。隨著A/W參數值增加,J 形引腳和焊點上的振動應力呈現出先增加后減少的趨勢,但變化幅度小于1.2%;而焊盤上振動應力則呈現單調增加的趨勢,特別是當A/W為0.5 時,焊盤上的最大振動應力增加了55.8%,并位于如圖13 所示的焊盤與焊點連接的中間位置。計算結果表明,PLCC 封裝元器件的懸出形態參數A/W增加可能導致其焊盤最先出現振動損傷,如焊盤與焊點之間、焊盤與PCB 之間發生斷裂(或剝離)。

表8 不同A/W 參數樣本的J 形引腳、焊點和焊盤最大振動應力Tab.8 Maximum vibration stress on J-leads,solder joints and pads for samples with different A/W parameters

圖13 不同A/W 參數樣本的焊盤最大應力位置變化Fig.13 Variation of the maximum stress position of the pad for different samples of A/W parameters

不同懸出形態參數A/W的PCBA 樣本的L 形引腳、焊點和焊盤的最大1σVon-Misses 等效振動應力計算結果見表9。

表9 不同A/W 參數樣本的L 形引腳、焊點和焊盤最大振動應力Tab.9 Maximum vibration stress on L-leads,solder joints and pads for samples with different A/W parameters

隨著A/W參數值增加,L 形引腳的振動應力呈現出單調減少的趨勢,其變化幅度小于2.1%;而焊點和焊盤上振動應力均呈現單調增加的趨勢,其中焊點上振動應力變化幅度達到了40.5%,而焊盤上振動應力變化幅度小于10.7%。計算結果表明,隨著SO 封裝元器件的懸出形態參數A/W增加,焊點出現振動損傷風險更高。

2.4 形態參數D/W(或D/L)對引腳和焊點振動應力的影響

不同側面長度形態參數D/W的PCBA 樣本的J 形引腳、焊點和焊盤的最大1σVon-Misses 等效振動應力計算結果見表10。隨著D/W參數值減少,J 形引腳、焊點和焊盤的振動應力均呈現先減少后增加的趨勢,其中焊點上振動應力變化幅度達到了33.8%,而引腳和焊盤上振動應力變化幅度分別小于13.9%和6.3%。計算結果表明,若將PLCC 封裝元器件的側面長度形態參數D/W值控制在1.8 左右時,不僅能夠明顯增強焊點的抗振動損傷能力,還可減少J 形引腳和焊盤的振動應力損傷風險。

表10 不同D/W 參數樣本的J 形引腳、焊點和焊盤最大振動應力Tab.10 Maximum vibration stress on J-leads,solder joints and pads for samples with different D/W parameters

不同側面長度形態參數D/L的PCBA 樣本的L 形引腳、焊點和焊盤的最大1σVon-Misses 等效振動應力計算結果見表11。

表11 不同D/L 參數樣本的L 形引腳、焊點和焊盤最大振動應力Tab.11 Maximum vibration stress on L-leads,solder joints and pads for samples with different D/L parameters

隨著D/L參數值減少,L 形引腳和焊點的振動應力呈現先增加后減少的趨勢,其中引腳上振動應力變化幅度小于6.5%,焊點上振動應力變化幅度小于3.3%;而焊盤上振動應力均呈現單調減少的趨勢,變化幅度約為15.7%;D/L參數減少,會導致L 形引腳的最大應力部位發生變化,如圖14 所示由引腳與封裝連接位置轉移到了引腳下部折彎處。計算結果表明,SO 封裝元器件的側面長度形態參數D/L變化對焊盤振動應力的影響更顯著。

圖14 不同D/L 參數樣本的L 形引腳最大應力位置變化Fig.14 Variation in maximum stress position of L-leads for different D/L parameter samples

2.5 形態參數F 對引腳和焊點振動應力的影響

不同填充高度形態參數F的PCBA 樣本的J 形引腳、焊點和焊盤的最大1σVon-Misses 等效振動應力計算結果見表12。隨著F參數值增加,J 形引腳的振動應力呈現先減少后增加的趨勢,其振動應力變化幅度小于13.6%;而焊點和焊盤上振動應力均呈現單調增加的趨勢,焊點上振動應力變化幅度達到了15.3%,焊盤振動應力變化幅度小于1.3%。計算結果表明,隨著PLCC 封裝元器件的填充高度形態參數F增加,會提高J 形引腳和焊點的振動應力水平,帶來損傷風險。

表12 不同F 參數樣本的J 形引腳、焊點和焊盤最大振動應力Tab.12 Maximum vibration stress on J-leads,solder joints and pads for samples with different F parameters

不同填充高度形態參數F的PCBA 樣本的L 形引腳、焊點和焊盤的最大1σVon-Misses 等效振動應力計算結果見表13。隨著F參數值增加,L 形引腳和焊盤的振動應力呈現單調增加的趨勢,但引腳振動應力變化幅度不大于0.02%,焊盤振動應力變化幅度小于4.9%;而焊點上振動應力均呈現單調減少的趨勢,振動應力變化幅度不大于4%。計算結果表明,SO 封裝元器件的填充高度形態參數F變化,對L 形引腳、焊點和焊盤振動應力水平的影響不顯著。

表13 不同F 參數樣本的L 形引腳、焊點和焊盤最大振動應力Tab.13 Maximum vibration stress on L-leads,solder joints and pads for samples with different F parameters

3 結論

目前關于J 形和L 形引腳類表貼元器件振動可靠性研究的成果,基本默認這樣一個前提或假設:當焊點形態參數符合IPC-A-610G 標準相關焊接要求時,表貼元器件焊點振動可靠性處于良好/較優狀態。綜合本文中PLCC、SO 封裝元器件及其PCBA 的模態和隨機振動應力分析結果,則證明了J 形和L 形引腳類表貼元器件的焊點形態參數即使符合IPC-A-610G 標準要求,在振動環境中,表貼元器件引腳、焊點和焊盤上的振動應力也并未達到最小或較小水平,即焊點振動可靠性并不處于最佳或較優狀態。因此,在J 形和L 形引腳類表貼元器件的裝聯工藝實施過程中,應持續開展焊接形態參數優化,以進一步增強元器件的振動可靠性,滿足這類元器件在惡劣振動環境中的應用需求。具體優化措施建議如下:

(1)表貼元器件引腳、焊點和焊盤的振動應力主要由其PCBA 的第一階模態振型誘發,提升PCBA 模態頻率,降低振動變形,對PCBA 上的元器件振動可靠性具有明顯提升作用;

(2)懸出形態參數A/W增加會顯著提升PLCC 封裝元器件焊盤和SO 封裝元器件焊點的振動應力水平,帶來物理損傷風險,建議將形態參數A/W控制在0.25及以下;

(3)合理控制側面長度形態參數D/W能夠明顯降低PLCC 封裝元器件J 形引腳、焊點振動應力水平,可明顯減少其焊盤振動應力,建議將形態參數D/W控制在1.8 左右;側面長度形態參數D/L減少會明顯降低SO 封裝元器件焊盤的振動應力水平,但會略增加其引腳的應力水平,建議將形態參數D/L控制在0.8 左右;

(4)填充高度形態參數F增加會明顯提升PLCC封裝元器件J 形引腳、焊點振動應力水平,但對SO 封裝元器件L 形引腳、焊點和焊盤影響不明顯,建議將形態參數F控制在0.33 mm 及以下。