面向智能電表的貼片電容焊盤尺寸設(shè)計(jì)*

路 韜，黃友朋，黨三磊，張 捷，韓立帥

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心,廣東 廣州 510062；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 510610)

隨著智能電表的廣泛應(yīng)用,小型化印制電路板組件(PCBA)的需求日益增大,希望同時(shí)保證組件小尺寸、更好的機(jī)械強(qiáng)度、制造效率和PCBA 可靠性,因此必須在PCBA 設(shè)計(jì)階段便考慮可制造性[1-4]及制造可靠性。對(duì)于印制電路板組件(PCBA)的可制造性設(shè)計(jì)來(lái)講,表面貼裝焊盤設(shè)計(jì)是其中一個(gè)重要而又容易被忽視的方面,其設(shè)計(jì)水平直接影響PCBA 組裝質(zhì)量[5-6]。

目前表面貼裝焊盤設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)很多,其中IPC-7351B 是IPC(國(guó)際電子工業(yè)協(xié)會(huì))制定的表面貼裝設(shè)計(jì)和焊盤圖形標(biāo)準(zhǔn)通用要求,是國(guó)際通用的設(shè)計(jì)規(guī)范之一。該標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了產(chǎn)品組裝密度、應(yīng)用環(huán)境和返修等因素。在IPC-7351B 標(biāo)準(zhǔn)中,按照焊盤伸出引腳長(zhǎng)度將PCB 焊盤劃分為A、B和C 3 個(gè)密度等級(jí),其中密度等級(jí)A 為最大焊盤伸出,適用于低元器件密度應(yīng)用,典型的應(yīng)用例子如暴露在高沖擊或震動(dòng)環(huán)境中的PCBA 產(chǎn)品。焊接結(jié)構(gòu)是最堅(jiān)固的,并且在需要的情況下很容易進(jìn)行返修,人工焊接和機(jī)器焊接都易于操作,且留有較大的制造裕量。密度等級(jí)B 為中等焊盤伸出,適用于中等元件密度的產(chǎn)品,提供堅(jiān)固的焊接結(jié)構(gòu)。人工焊接和機(jī)器焊接也都可以操作。密度等級(jí)C 為最小焊盤伸出,適用于希望具有最小焊接結(jié)構(gòu)要求的微型產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)最高的元件組裝密度,適用于機(jī)器焊接,人工焊接較難。3 個(gè)密度等級(jí)示意圖見圖1。

圖1 PCB 焊盤尺寸設(shè)計(jì)的3 種密度等級(jí)

此外,從印制電路板組件的智能制造角度出發(fā),希望所設(shè)計(jì)的焊盤尺寸便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等,因此傾向于IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)密度等級(jí)A 焊盤尺寸。但是,采用IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)密度等級(jí)A 來(lái)開展表面貼裝焊盤尺寸設(shè)計(jì)后,其焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度到底如何,目前公開發(fā)表的相關(guān)研究文獻(xiàn)不多。因此,針對(duì)智能電表中常用的1210 表面貼裝電容,本文設(shè)計(jì)了2 種焊盤設(shè)計(jì)尺寸(其中一種為IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)推薦的密度等級(jí)A 的焊盤尺寸),對(duì)其焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,希望為表面貼裝焊盤設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

同時(shí)采用有限元仿真分析方法對(duì)2 種焊盤所形成的焊點(diǎn)熱疲勞壽命進(jìn)行有限元對(duì)比計(jì)算,以便從焊盤設(shè)計(jì)角度為智能電表的焊點(diǎn)可靠性設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算

研究所選實(shí)驗(yàn)樣品為1210 表面貼裝電容,尺寸信息見表1。

表1 CT41G 1210 電容的尺寸信息

根據(jù)IPC7351B 標(biāo)準(zhǔn),焊盤尺寸標(biāo)識(shí)示意圖見圖2,所做的PCB 焊盤尺寸見表2。

表2 1210 表面貼裝焊盤的焊盤尺寸設(shè)計(jì)

圖2 IPC 7351 B 標(biāo)準(zhǔn)的Chip 類型表面貼裝焊盤尺寸標(biāo)識(shí)方法

依據(jù)表2 的焊盤尺寸來(lái)分別制作1210 電容的PCB 側(cè)焊盤,采用同樣的組裝工藝共制備了6 塊PCBA 組件,見表3,組裝后1210 電容的典型外觀照片見圖3。

表3 1210 焊盤電容組件制備信息

圖3 1210 電容組裝后的典型外觀照片

1.1 推力實(shí)驗(yàn)

采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)E43.104(設(shè)備允許誤差中示值誤差±2%,重復(fù)性2%),參照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3198-7:2003,以10 mm/min 的速度對(duì)組裝后1210 電容結(jié)果開展剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程示例見圖4,剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)后斷裂模式說(shuō)明見表4,典型剪切強(qiáng)度測(cè)試曲線見圖7(a)。

圖4 剪切強(qiáng)度測(cè)試示例圖

表4 剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)后斷裂模式說(shuō)明

1.2 焊點(diǎn)熱疲勞壽命有限元仿真分析

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于焊點(diǎn)疲勞模型和壽命預(yù)測(cè)方法都進(jìn)行了大量研究,已提出的焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型主要有基于應(yīng)力的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型、基于非彈性應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型、基于蠕變應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型、基于能量的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型、基于損傷的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型和基于斷裂力學(xué)基礎(chǔ)的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型等[7-9]。其中,基于塑性應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型和基于能量的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型最為常見,采用基于塑性應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型來(lái)進(jìn)行焊點(diǎn)熱疲勞壽命計(jì)算。

(1)建模與網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks 針對(duì)2 組不同焊盤設(shè)計(jì)尺寸建立對(duì)應(yīng)的PCBA 三維結(jié)構(gòu)模型,應(yīng)用Workbench 軟件進(jìn)行有限元仿真分析,有限元模型如圖5 所示。模型中PCB 尺寸為10 mm×10 mm×2 mm,焊盤尺寸與表2 中尺寸一致,電容封裝尺寸為1210 表貼電容,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為10 mm×10 mm×2 mm。模型在網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格單元均為六面體,并對(duì)焊盤、焊點(diǎn)和陶瓷體進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化以得到更精確的有限仿真分析結(jié)果。

圖5 1210 表貼電容PCBA 組件有限元模型

(2)載荷

采用熱-力間接耦合方式對(duì)PCBA 組件經(jīng)歷的熱循環(huán)載荷進(jìn)行模擬,然后再以溫度場(chǎng)分布作為預(yù)應(yīng)力載荷,計(jì)算由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。熱循環(huán)載荷采用溫度范圍-5 ℃～100 ℃,高低溫保溫時(shí)間10 min,溫變速率15 ℃/min,循環(huán)周期為34 min。由于計(jì)算資源限制了對(duì)所有循環(huán)進(jìn)行模擬,一般認(rèn)為幾個(gè)循環(huán)后焊點(diǎn)的粘塑性流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定,即應(yīng)力和應(yīng)變的增加量達(dá)到穩(wěn)定,就可以準(zhǔn)確表述焊點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變變化,通過(guò)模擬計(jì)算可得5 個(gè)循環(huán)后等效應(yīng)力增量趨于穩(wěn)定,因此設(shè)定載荷循環(huán)數(shù)為5 個(gè)循環(huán),有限元模擬加載曲線如圖6 所示。

圖6 熱循環(huán)載荷曲線圖

(3)材料參數(shù)

作為有限元模擬的重要輸入量,材料性質(zhì)的準(zhǔn)確描述將會(huì)直接影響到仿真結(jié)果的精度。

對(duì)于釬料合金來(lái)說(shuō),其室溫下的約比溫度(T/Tm)就高達(dá)0.6 以上,因此釬料合金是一種典型的率相關(guān)材料,采用Anand 本構(gòu)模型描述釬料的粘塑性,Anand 本構(gòu)模型參數(shù)見表5。

表5 焊點(diǎn)材料ANAND 模型參數(shù)

模型中除了焊料外均采用線彈性關(guān)系描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,有限元分析中采用的材料線性參數(shù)見表6,其中材料參數(shù)和有限元模擬選取的參考溫度均為25 ℃。

表6 模型材料參數(shù)

2 結(jié)果及討論

2.1 推力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)后的典型結(jié)果見圖7。由剪切強(qiáng)度測(cè)試曲線可以獲得最大推力值(圖7(a)中曲線峰值位置),由實(shí)驗(yàn)后外觀檢查則可以確認(rèn)剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)斷裂模式。

圖7 1＃C58 的剪切強(qiáng)度曲線及測(cè)試后外觀觀察照片

1210 電容的剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表7,可以看出,所有樣品的斷裂模式都是Type1,即元器件損傷；說(shuō)明在本測(cè)試條件下,對(duì)于1210 電容焊接結(jié)構(gòu)來(lái)講,無(wú)論是IPC7351 密度等級(jí)A 焊盤還是對(duì)比尺寸焊盤所形成的焊接結(jié)合強(qiáng)度都不是其焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)薄弱位置。

表7 1210 焊盤電容的剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

采用Minitab 軟件分別對(duì)表7 數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)分析,數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表8 和圖8。在顯著性水平0.05 時(shí),可以判定IPC7351 密度等級(jí)A 焊盤的1210 電容推力Fmax的均值大于對(duì)比尺寸焊盤的1210 電容推力Fmax的均值。

圖8 不同尺寸焊盤電容結(jié)構(gòu)最大推力值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

表8 1210 電容的推力數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.2 焊點(diǎn)熱疲勞壽命有限元仿真分析

由于PCBA 熱疲勞失效主要出現(xiàn)在焊點(diǎn)處,因此更著重關(guān)注焊點(diǎn)與焊盤中應(yīng)力應(yīng)變分布情況。

7351 焊盤焊點(diǎn)中彈性應(yīng)變與其塑性應(yīng)變相比小很多,如圖9 和圖10 所示,高溫保溫結(jié)束時(shí)焊點(diǎn)中最大塑性應(yīng)變(0.016 80)為其最大彈性應(yīng)變(0.002 85)的5.89 倍。

圖9 7351 焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變圖

圖10 7351 焊點(diǎn)等效彈性應(yīng)變圖

圖11 為焊點(diǎn)中塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況,也可以看出塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變。由于塑性變形是不可恢復(fù)的,因此其對(duì)失效的貢獻(xiàn)程度更大。

圖11 7351 焊盤的焊點(diǎn)中塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變隨時(shí)間變化趨勢(shì)

采用同樣方法提取采用對(duì)比焊盤尺寸模型中焊點(diǎn)部分等效塑性應(yīng)變和等效彈性應(yīng)變,分布情況如圖12 和圖13 所示,高溫保溫結(jié)束時(shí)焊點(diǎn)中最大塑性應(yīng)變(0.0104)為其最大彈性應(yīng)變(0.0023)的4.52 倍。

圖12 對(duì)比尺寸模型焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變圖

圖13 對(duì)比尺寸模型焊點(diǎn)等效彈性應(yīng)變圖

圖14 為焊點(diǎn)中塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況,也可以看出塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變。

圖14 對(duì)比尺寸焊點(diǎn)中塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變隨時(shí)間變化趨勢(shì)

(2)焊點(diǎn)熱疲勞壽命預(yù)測(cè)

提取焊點(diǎn)上危險(xiǎn)位置的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,繪制出應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線,曲線呈逐漸收斂的滯回環(huán)形狀,其包圍的面積為塑性應(yīng)變能。在曲線上選取相對(duì)穩(wěn)定的滯回環(huán),即可獲得在一個(gè)溫度循環(huán)過(guò)程中該處的累積塑性應(yīng)變。

通常認(rèn)為熱應(yīng)力是在熱循環(huán)過(guò)程中焊點(diǎn)內(nèi)部裂紋萌生和發(fā)展的動(dòng)力[10],但是塑性應(yīng)變則是焊點(diǎn)累積損傷度的宏觀表現(xiàn)[11],因此一個(gè)器件的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變焊點(diǎn)均為其危險(xiǎn)焊點(diǎn)。

低周熱循環(huán)疲勞失效模式下,焊點(diǎn)的熱循環(huán)壽命與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通常可用修正的Coffin-Manson模型來(lái)描述[12]:

式中:Δγ為等效塑性應(yīng)變幅,其值等于焊點(diǎn)在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)累積的塑性應(yīng)變量的3倍；εf為疲勞延性系數(shù)；應(yīng)變敏感指數(shù)c與熱循環(huán)條件有關(guān)[13]。

式中:Ta為熱循環(huán)平均溫度,f為熱循環(huán)頻率42.4,2εf、C0、C1、C2是和釬料有關(guān)的系數(shù)。對(duì)于Sn63Pb37,其值分別為0.615、0.442、6×104、1.74×102；基于仿真中所加載的溫度參數(shù),計(jì)算得到c值:

修正的Coffin-Manson 模型中,焊點(diǎn)的壽命與一個(gè)循環(huán)內(nèi)累積的塑性應(yīng)變量呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于最大應(yīng)力和最大應(yīng)變焊點(diǎn)不為同一個(gè)焊點(diǎn)時(shí),滯回曲線應(yīng)為二者中一個(gè)循環(huán)內(nèi)累積塑性應(yīng)變量較大者。

圖15 和圖16 為IPC 7351 和對(duì)比焊盤焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線。可以發(fā)現(xiàn),曲線向左回復(fù)并逐漸穩(wěn)定,在第4 個(gè)熱循環(huán)后,滯回環(huán)基本穩(wěn)定,因此選擇第5 個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中焊點(diǎn)累積的塑性應(yīng)變,作為焊點(diǎn)在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)累積的平均塑性應(yīng)變。

圖15 IPC7351 推薦尺寸焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變回滯曲線

圖16 對(duì)比尺寸焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變回滯曲線

根據(jù)式(1)計(jì)算得到兩類焊點(diǎn)的壽命見表9。

表9 2 種模型焊點(diǎn)熱疲勞壽命

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)在當(dāng)前剪切強(qiáng)度測(cè)試條件下,在顯著性水平為0.05 時(shí),可以判定IPC 7351 密度等級(jí)A 焊盤的1210 電容焊接結(jié)構(gòu)推力Fmax的均值皆大于對(duì)比尺寸焊盤的1210 電容推力Fmax的均值,即采用IPC 7351 密度等級(jí)A 焊盤可以獲得更高的1210 電容焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)基于修正的Coffin-Manson 模型兩種焊盤尺寸模型焊點(diǎn)熱疲勞壽命結(jié)果,發(fā)現(xiàn)IPC7351 標(biāo)準(zhǔn)推薦焊盤尺寸壽命為52 123 個(gè)循環(huán)、對(duì)比焊盤尺寸的壽命為55 538 個(gè)循環(huán),兩類焊點(diǎn)熱疲勞壽命值均較高(大于104個(gè)溫度循環(huán))。

(3)為保障產(chǎn)品具備更適用的機(jī)械強(qiáng)度/熱疲勞可靠性,應(yīng)該充分了解產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境剖面和可靠性指標(biāo),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初便開展焊盤設(shè)計(jì)和焊點(diǎn)可靠性分析與鑒定。