振动条件下的CQFP器件高可靠组装工艺

来源:收集 点击数:52 更新时间:2019/5/13 10:17:33

振动条件下的CQFP器件高可靠组装工艺
 摘 要: CQFP器件由于其高可靠性优势已经广泛应用于军事、航天和航空领域,但是在实际使用中,特别是在温度和力学等可靠性试验中容易出现焊点脱落和引脚断裂等问题。分析了出现此类问题的原因并结合工作实际给出了包括焊盘设计、引线成形、器件焊接、敷形涂覆和胶黏剂力学加固处理在内的完整工艺解决方案与具体实施方法。

关键词: CQFP;振动试验;组装工艺

 

陶瓷四面扁平封装器件CQFP(Ceramic Quad FlatPack)是一种先进的器件封装形式,采用了陶瓷基板和镀金引线,具有很高的可靠性,广泛应用于军事、航天和航空领域。由于产品在使用中往往要经受热真空、温度循环和力学振动/冲击等恶劣环境条件的考验。因此,对组装的可靠性提出了很高的要求。笔者在工作中接触了大量关于此类器件的组装工作,某些产品在焊接后的调试中未发现质量问题,然而在后续的力学振动试验中出现了焊点开裂和引脚断裂等现象。本文将针对此情况展开较为全面的论述,简要介绍了产品前期设计工作对装联可靠性的影响,重点描述了CQFP器件的焊接工艺、引线成形工艺和力学加固工艺,从而形成了一个提高组装可靠性以满足振动要求的成套工艺解决方案。

1 提高装联可靠性的方法

产品的可靠性是设计出来的”这个观点在业内已经得到了越来越多的认可,工艺控制仅仅是面向产品的制造过程,只能在一定程度上提高产品的质量和可靠性。以焊点在振动条件下的开裂为例,在某些情况下,即使焊点品质良好,也不能完全避免问题的发生。这些情况有:(1)电箱设计不合理,如未采用合理的减振和加固处理措施等。这种情况下,在系统加载振动量级较大的负荷时,单靠焊点本身的强度,有时是不能确保连接可靠性的。(2)印制板布局不合理,如大质量芯片放置在印制板中间位置等。在振动条件下,芯片与印制板容易产生明显的共振效应,从而加大焊点的受力情况,最终导致焊点裂纹或开裂。(3)焊盘设计不合理,焊盘的形状和尺寸对焊点的形成起着关键的作用,如焊盘设计不合理会导致焊料量不足或焊点无法形成理想的支撑角(堆锡或趴锡)等,此时焊点强度显然无法保证。因此,良好的机械结构、合理的印制板布局与焊盘设计、优良的焊接工艺控制结合必要的辅助加固处理才是提高焊接可靠性的最为理想的解决方案。

2 CQFP高可靠组装工艺

2.1 机械结构设计对可靠性的影响

对于QFP封装器件的装联,芯片的引线既起到了电气连接作用又发挥了机械支撑作用,安装后的芯片本体与印制板间留有间隙,当经受力学振动时,引线的缓冲作用,可以较为有效地避免芯片本体的受力。然而此时,引线根部,即引线与芯片本体的结合部位则成为力学支撑点,从而成为连接的薄弱环节。有研究表明,CQFP器件在振动条件下的失效有70%以上为引线的根部断裂(其余为焊点开裂和器件本身失效)。事实上,对于系统或机箱组件中印制板上CQFP器件而言,最终的受力经过了三个环节的传递:外加振动源首先作用于整个系统或机箱组件;其次,系统或机箱组件的振动传到电路板;最后,电路板上的振动通过引线传给芯片本体。从这个分析我们可以看出:实际上,为减小芯片的受力也同样有几种手段可以考虑:首先,可以从减小系统或机箱组件的受力入手,这就是所谓的机械结构设计对器件装联可靠性的影响。具体实施上,可以采用各种形式的减振结构设计予以实现。图1是一种采用ZTG阻尼弹簧减震器的机箱设计。其次,对于合理的印制板固定方式也可以有效减小振动效果。具体实施上,一般采取印制板的加强框,如图2所示。原理是通过减小印制板振动幅度而减小器件的受力程度。总之,机械设计对装联的可靠性,尤其是对力学可靠性有着重要的影响,我们应该予以足够的重视。

2.2 印制板设计对可靠性的影响

一般情况下,电子产品的装联品质主要取决于焊接质量。然而,容易被人忽视的是,印制板的焊盘设计对焊接质量也有着显著的影响。面向制造的设计(DFM)目前得到越来越多的重视。理论上,在布局设计上,除需重点考虑信号相互之间的干扰和完整性外,最主要的一点就是装联的可靠性,以振动要求较高的产品来说,需要分析印制板的力学效应,一般而言大质量的器件应避免置于印制板中间,以减小振动影响。在焊盘设计上,为保证焊点强度,提高装联可靠性,焊盘设计应严格按照相关的设计标准执行。航天标准QJ165A中规定:扁平封装集成电路的焊接,焊盘宽度设计应保证引线两侧至少留有0.1mm。引线距焊盘边缘应大于0.1 mm,引线后部距焊盘边缘应大于0.5 mm。如图3所示。

对于焊盘设计对焊点强度的影响,采用软钎料(焊锡)焊接的机理是:被焊母材(元器件引线)与焊料,在一定的温度条件下(约198 )发生漫流和扩散并在两者界面间形成金属间化合物(EMC),从而形成一定的力学强度及稳定的电气连通。力学强度可分为抗拉强度与抗剪切力强度,焊点的抗拉强度由焊接母材与焊料的接触面积和材料间分子力等决定。焊点的抗剪切力强度除与抗拉强度有关外,还受焊料支撑力的影响。图4为焊点力学模型示意图。

建立力学模型如下:

(1)焊点强度A=抗拉强度B+焊料支撑强度C;

(2)抗拉强度B =材料分子力k*接触面积S;

(3)接触面积S=引线宽度D*引线长度L;

对于肩宽A,一般要求器件两边肩宽尺寸应基本一致,肩宽大小一般取2倍引线直径或0.5 mm中的较大者;对于焊接面长度B,为保证焊接的可靠性,应对焊缝面积进行严格控制,具体来说,圆形引线要完整焊点的抗拉强度

B=K*(S1+S2+S3+ S4+S5)。

由此可见,焊盘尺寸决定最终焊点形状,对连接的可靠性具有决定性影响。

2.3 引线成形工艺

集成电路引线成形原本是集成电路封装的后道工序,由于CQFP结构的特殊性(保护环)决定了其在焊接前需要进行引线成形处理,如图5所示。良好的成形工艺对提高CQFP器件装联的可靠性有着至关重要的影响[1]。这是因为:首先,可以实现CQFP器件的可组装性,CQFP器件不经成形是不具备焊接条件的;其次,解决器件装联时的应力消除问题,主要体现在成形元器件引线根部和焊接点之间所有引线或导线上,由于两个制约点间的引线或导线具有自由伸缩的余地,因此可以有效缓冲机械振动或温度变化对元器件和焊点产生有害的应力。CQFP器件一般有三种出线方式,即顶部出线、中部出线和底部出线,无论哪种出线方式,其成形原理大体相同,区别在于工艺控制略有不同。引线成形的关键参数主要有肩宽A、焊接面长度B、站高D和引线弯曲半径R ,如图6所示。此外引线的共面性和引线歪斜角度也会对装联造成影响。下边将逐一对这些参数的工艺要求进行简要分析。

对于肩宽A,一般要求器件两边肩宽尺寸应基本一致,肩宽大小一般取2倍引线直径或0.5 mm中的较大者;对于焊接面长度B,为保证焊接的可靠性,应对焊缝面积进行严格控制,具体来说,圆形引线要求搭接在焊盘上的长度为3.5倍~5.5倍的引线直径,但是最小不应低于1.25 mm;扁平引线要求搭接在焊盘上的长度最小为3倍~5引线宽度,但是当引线宽度小于0.5 mm时,其搭接长度不应小于1.25 mm; 对站高D,为避免损伤器件,提高装联的可操作性,应充分考虑应力释放空间及后续的三防固封操作后确定,一般控制在0.5 mm~1.0 mm;对引线弯曲半径R ,引线的弯曲可以起到调节引线共面度(不大于0.1 mm) 和缓冲引线根部应力的作用,对装联的可靠性影响较大,对于不同材料和不同引线厚度(直径)的引线弯曲半径要求不同。按IPC610D中的规定:当引线厚度小于0.8 mm时,最小引线弯曲半径为引线厚度的1倍,当引线厚度(或直径)大于0.8 mm时,最小引线弯曲半径为引线厚度的1.5倍~2.0倍。此外,航天标准QJ3086-99还有以下几个规定:引线翘曲度不应超过0.25 mm,元器件平面度偏差应不大于0.1 mm,如图7所示,引线歪斜不应超过引线宽度的25%等,如图8所示。笔者工作中实际成形的一片CQFP器件如图9和图10所示。

2.4 焊接工艺控制

对于传统的锡铅工艺,影响电子产品焊接质量的因素早就被广泛研究并在业内得到了统一认识,它们包括:器件与印制板的可焊性、焊料与助焊剂的选择、焊接工具的选择以及焊接参数的控制(焊接温度与焊接时间)等。对于CQFP器件的焊接还应特别注意以下几点[2]:首先,由于器件为陶瓷封装,且一般尺寸较大,因此具有较大的热容量,这种情况下,手工焊接工具应选用功率大且补温效率高的烙铁。其次,CQFP器件为提高引线的抗氧化能力从而延长器件存储期,采用了引线镀金处理工艺。对于镀金引线的焊接,工艺上一般要求对引线进行搪锡去金处理,否则由于“金脆”效应可能大幅降低焊点的强度。我们一般采用手工搪锡方式,具体操作时,应注意充分发挥助焊剂的作用,避免引线“连焊”。最后,在焊接手法上,应采用对角焊接的方式,禁止使用“拖焊”工艺,其目的是避免局部过热给器件带来的损伤。总之,做为印制板装联最为核心的焊接工艺环节,我们应严格按照标准工艺执行,确保装联质量。

2.5 敷形涂覆及固封工艺

力学加固是保障印制电路板组件能够顺利通过力学振动试验的重要工艺措施[3,4]。工艺上经常采用胶黏剂对印制板组装件进行粘接固定以提高产品的力学适应性。具体操作时,应综合考虑元器件成形、焊盘设计、焊接参数选择、机械加强框的牢固程度并结合产品质量要求、散热要求等诸多因素。目前常用的印制电路板固封工艺有整体灌封、局部灌封以及点封三种。

对于CQFP器件的加固,笔者经长期实践总结摸索出了一套点封结合局部灌封的综合处理工艺。具体做法是:首先,在芯片四个边角处点上GD414单组份室温硫化硅橡胶,胶量控制应适度,一般以芯片尺寸的25%为宜,这样即可充分保证粘接强度,又可为后续的灌封留有注入孔。其次,用QD231对器件进行局部灌封,灌封时,应制作专用的工装,如图11所示,具体制作方法是使用酚醛板按灌封区域要求做成所需形状,然后在酚醛板外边覆盖一层聚酰亚胺胶带,以增强其光滑度,必要时可还在表面涂覆一层硅油,这样可将灌胶范围控制在较小的范围内,避免胶液对周边器件的影响,光滑的接触面也便于最后工装的拆除。最后,灌封后应将印制板放入真空罐中进行抽真空处理,这样做的目的是避免存在于印制板和芯片本体间的胶液内存有气泡。因为气泡不但会影响芯片的散热效果,而且在热真空环境下还会产生膨胀应力,从而对器件装联的可靠性造成不利影响。图12为笔者灌封后的效果图片。

3 结束语

保障产品质量和提高产品的可靠性绝不仅仅是单一的工艺问题。它涉及产品设计和制造过程的各个环节,是一个系统工程。对印制电路板组装件的装联来说包括了机械设计、印制板布局与焊盘设计、元器件引线成形、焊接工艺控制以及力学加固工艺,其中任何一个环节出现问题, 都可能影响产品的整体可靠性。这就需要设计上不断优化,并充分考虑制造的可实施性,也需要工艺上采用各种有效措施予以充分保证。

 


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