航天大尺寸 CQFP 器件管脚断裂失效分析

来源:收集 点击数:87 更新时间:2018/12/5 9:56:48

航天大尺寸 CQFP 器件管脚断裂失效分析
 摘要: 以某航天产品振动实验后大尺寸CQFP(Ceramic Quad Flatpackage)器件的管脚断裂为例,采用有限元方法分析了引起器件管脚断裂失效的主要原因。结果表明,大尺寸CQFP 器件仅仅依靠自身管脚的支撑及简单的力学加固是不能满足宇航级别的振动条件的,在 z 向的随机振动过程中,器件角边缘的管脚承受超负荷的应力,极易发生管脚断裂失效,因此需要进行全面加固。

关键词: CQFP;器件失效;管脚断裂;力学加固;有限元分析;随机振动

 

陶瓷四边扁平封CQFPCeramic Quad Flatpackage)是一种在航天产品中较为常见的器件封装类型,虽然目前出现的BGA(球栅阵列封装)及CCGA(陶瓷柱栅阵列封装)等封装应用越来越广,但由于国外对我国器件的限购,及装联成本、装联工艺成熟度等因素,许多核心器件如FPGA(现场可编程门阵列)及DSP(数字信号处理器)等器件仍选用此封装形式。然而,由于航天产品要经历各种恶劣的振动与热环境实验,CQFP 器件由于其体积大、质量大、管脚细,一旦PCB 设计不当、装联工艺技术不成熟,就会很容易导致CQFP 器件失效[1-2]。目前国内外学者对CQFP 器件的失效分析研究较多,但多数是对器件管脚焊点失效的研究,对器件管脚断裂失效的研究较少,本文详细分析了大尺寸CQFP器件管脚断裂的失效原因,还对如何避免此类失效的工艺技术进行了详细分析与介绍。

1 器件管脚断裂失效分析

1.1 管脚断裂现象

在某航天产品鉴定振动实验过后,发现FPGA失效,随后对器件进行了排查,在通电情况下按压器件有好转迹象,随后用200 倍光学放大镜对器件进行检查,发现器件部分管脚根部有不同程度的断裂,如图1 所示。

在对所有断裂管脚统计完成后,发现一个规律现象,所有断裂的管脚全部分布在器件的四个角边缘,如图2 所示。

在排除器件批次质量问题后,对器件的管脚断裂原因进行了分析。从断裂管脚的断面可以看出,管脚断裂位置靠近器件根部,分布在器件的四角边缘。何种原因导致器件四角边缘的管脚根部断裂,借助ANSYS 有限元分析软件对此CQFP 器件进行了优化模拟分析。

1.2 有限元分析

1.2.1 有限元模型

芯片管脚材料为铜,芯片与PCB 板之间不直接接触,而是通过管脚连接传力[3-4]。模型共有22521个节点,23399 个单元,边界约束位置与实际情况相同,如图3 所示。

1.2.2 模态分析

模态分析是航天产品研制工作的重要组成部分。为研究大尺寸CQFP器件管脚的动力学特性,对大尺寸CQFP 器件和与其焊接的PCB 板进行模态分析,确保组件的基频可以避开转运以及发射过程中的外部激励频率,防止组件尤其是大尺寸CQFP器件发生共振造成自身损坏[5-6]。分析结果表明组件的基频为489 Hz,远大于组件要求的100 Hz,满足设计指标需求。组件的前三阶频率见表1,前三阶振型见图4

1.2.3 随机振动应力分析

空间光学遥感器在发射过程中的动力学环境主要是随机振动,随机振动是卫星发射运载过程中的大量噪声引起的声致振动。空间光学遥感器的电子设备的动力学分析要计算关键电子器件在随机振动环境下的力学响应[7-8]。在对大尺寸CQFP 器件和与其焊接的PCB板组件进行的动力学特性分析中,激励载荷由动力学环境试验条件确定,具体载荷形式和大小见表2,加载方向是xyz 三个方向。随机振动过程中的最大应力分布见图5

随机振动输入条件如表2 所示。

分析结果如下:

随机振动应力响应结果统计如表3所示。

1.2.4 模拟结果及分析

从随机振动应力响应结果可以看出:

ax 向随机振动时,器件x 向两排管脚受力较大,但受力均匀,应力基本均匀地分布在两排的各个管脚上,两排管脚近似均匀受力,因此可以断定,管脚断裂失效不是发生在此振动模式下。

by 向随机振动时,器件y 向两排管脚受力较大,但受力均匀,应力基本均匀地分布在两排的各个管脚上,两排管脚近似均匀受力,因此可以断定,管脚断裂失效不是发生在此振动模式下。

cz 向随机振动时,器件四角管脚的受力较大,应力主要集中在器件角边缘的几个管脚上,此时管脚3σ 应力最大,达到185.4 MPa,接近纯铜屈服极限(206 MPa),因此可以断定,器件管脚断裂失效发生在此种振动模式下,失效模式与失效器件现象完全吻合。

从以上分析可以得出结论:大尺寸CQFP 器件仅仅依靠自身管脚的支撑及简单的力学加固是不能满足宇航级别的振动条件的,在z向的随机振动过程中,器件角边缘的管脚承受超负荷的应力,极易发生管脚断裂失效。因此需要进行全面力学加固方可保证CQFP 器件安全可靠的工作。

2 CQFP 器件的力学加固

2.1 器件加固工艺

a)将待装联器件的底部及线路板表面用无水乙醇进行清洗,烘干待用;

b)在线路板中央点厚度为2 mm、面积为400mm2 GD414 硅橡胶(C级),如图6 所示;

c)将待装联器件管脚对中后施压,确保底部固封胶接触良好,切勿溢出,在确保器件每个管脚均与焊盘对中后,在器件四角用焊接暂时固定,如图7所示;

d24h 后对待装联器件进行焊接,并且必须对原固定管脚进行重熔,以释放应力;

e)待器件清洗、检验完成后,对器件进行三防处理;

f)三防漆固化后,对器件的四角进行点胶(GD414C)处理,待24 h固化后,对整个器件进行灌封处理(QD231[9-10],如图8 所示。

2.2 器件力学加固分析

2.2.1 四角点胶效果分析

当在器件的四个角边缘角点GD414 胶时,z 向随机振动RMS 应力响应如图9所示。从图中可以看出,管脚1σ 应力为48.6 MPa,比不注GD414 胶的情况(61.8 MPa)要小。

2.2.2 器件底部点胶及灌封效果分析

当在器件底部点胶并整体灌封时,z 向随机振动RMS 应力响应如图10 所示。

从图中可以看出,管脚1σ 应力为13.0 MPa,比不注GD414 胶的情况(61.8 MPa)要小很多。说明采用硅橡胶对器件进行力学加固,措施有效,能极大改善芯片管脚受力情况。

2.3 加固效果验证

将力学加固后的器件放在振动平台上,进行宇航级鉴定振动实验,如图11所示。

振动实验完成后对器件管脚进行检查,如图12所示。

从图12 可以看出经过力学加固后的CQFP 器件管脚完好,无任何损伤,结合有限元分析结果可以证明,此力学加固工艺对宇航级大尺寸CQFP 器件的防护措施可行有效。

3 结论

通过对失效CQFP 器件的详细分析,得出结论,航天CQFP 器件在振动条件下,器件的四角边缘管脚承受应力较大,容易损伤断裂,需进行有效的力学加固处理,经过有限元模拟分析与实验验证,采取在器件底部填充硅橡胶,四角点封,整体灌封的工艺,能有效避免宇航级振动条件对器件管脚的损伤。


 

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