元器件點(diǎn)膠方式對(duì)芯片可靠性的影響

姜 健，醋強(qiáng)一，張豐華，田 灃，劉治虎

(西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

不同種類、材料的電子元器件通過(guò)表面貼裝、通孔安裝等方式安裝到印制電路板(PCB)上。在工作過(guò)程中，大多數(shù)的電子線路故障是由于元器件引線或焊點(diǎn)發(fā)生機(jī)械故障造成的。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)大量工程試驗(yàn)和案例已經(jīng)表明：大約有20%的電子線路故障是由于振動(dòng)和沖擊造成的[1]。因此為了提高電子設(shè)備的可靠性，需要對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)分析，以便于更好地指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作。

研究表明，在部分情況下，振動(dòng)沖擊所引起的疲勞失效甚至?xí)蔀楹更c(diǎn)的主要失效原因，為了解決這一問(wèn)題，可采用點(diǎn)膠的方式對(duì)芯片進(jìn)行加固，已達(dá)到減小焊點(diǎn)上的應(yīng)力，提高焊點(diǎn)的可靠性的目的[2]。通過(guò)Workbench仿真軟件，針對(duì)表貼芯片建立三維模型，在隨機(jī)振動(dòng)條件下，分析其長(zhǎng)膠、短膠(中間)、短膠(四角)和無(wú)膠四種不同點(diǎn)膠方式對(duì)元器件焊腿可靠性的影響。為隨機(jī)振動(dòng)條件下表貼芯片的點(diǎn)膠方式提供理論指導(dǎo)。

1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式和有限元模型建模

1.1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

以某機(jī)載電子設(shè)備中的印制板為例，使用Workbench有限元軟件對(duì)典型表貼器件在隨機(jī)振動(dòng)條件下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析。表貼器件通過(guò)管腿與印制板相連接，為保證仿真精度，芯片采用完整模型進(jìn)行仿真建模，對(duì)印制板上的六個(gè)安裝孔設(shè)置全約束，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。仿真加載條件為20～2 000 Hz的隨機(jī)振動(dòng)，量值為0.1 g2/Hz。

圖1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

1.2 有限元模型建模

由于該結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，考慮到仿真計(jì)算速度的問(wèn)題，需要對(duì)該模型進(jìn)行合理化的簡(jiǎn)化，以保證仿真的高效性和可操作性。簡(jiǎn)化操作包括：①忽略印制板上的次要器件，建立主要考核器件模型；②忽略相關(guān)結(jié)構(gòu)件，約束直接施加在螺紋孔內(nèi)壁；③忽略器件上的小圓角等不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響的特征。按上述原則進(jìn)行建模，對(duì)于四種不同的點(diǎn)膠方式，其模型示意圖見(jiàn)表1所示。

在模型建立過(guò)程中，表貼芯片采用陶瓷封裝形式，其彈性模量為370 GPa，泊松比為0.23，密度為2 300 kg/m3；管腿材料為可伐合金，其彈性模量為137 GPa，泊松比為0.35，密度為8 000 kg/m3；點(diǎn)膠材料為環(huán)氧灰膠，其彈性模量為3 GPa，泊松比為0.3，密度為2 000 kg/m3；印制板材料采用FR4，其彈性模量為15 GPa，泊松比為0.28，密度為3 000 kg/m3。

表1四種不同點(diǎn)膠方式示意圖

2 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)分析

2.1 模態(tài)分析

首先對(duì)整體模型的固有頻率進(jìn)行分析，提取長(zhǎng)膠、短膠(中間)、短膠(四角)和無(wú)膠四種不同點(diǎn)膠模式下的模型固有頻率，其一階固有頻率依次分別為453 Hz、492 Hz、443 Hz和460 Hz。四種情況下的振型云圖如表2所示。

從結(jié)果中可以看出，不同點(diǎn)膠方式對(duì)頻率及振型是存在影響的。在短膠(中間)的情況下，最大變形產(chǎn)生的位置更靠近印制板的幾何中心，而其他三種情況下的最大變形位置則會(huì)靠近印制板的左側(cè)。分析固有頻率的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)長(zhǎng)膠和短膠(四角)兩種情況下，印制板整體的一階固有頻率相比于無(wú)膠情況下會(huì)有輕微的下降(2%左右)。根據(jù)公式:

式中:k為系統(tǒng)剛度，m為組成該系統(tǒng)的質(zhì)量[5]。

從公式中可以看出，在系統(tǒng)質(zhì)量一定的情況下，系統(tǒng)的固有頻率與結(jié)構(gòu)的剛度成正比。結(jié)合仿真結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)盲目的點(diǎn)膠并不一定能增加系統(tǒng)的剛度，在長(zhǎng)膠和短膠(四角)兩種情況下反而會(huì)產(chǎn)生相反的效果。

表2四種不同點(diǎn)膠方式振型示意圖

2.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

選擇印制板上位置1處的芯片進(jìn)行應(yīng)力分析，在長(zhǎng)膠、短膠(中間)、短膠(四角)和無(wú)膠四種不同點(diǎn)膠模式下，芯片管腿上的最大應(yīng)力分別為：14.9 MPa、29.3 MPa、13.3 MPa以及13.9 MPa。從結(jié)果中可以看出，芯片的管腿在短膠(中間)的加固方式下，管腿上的應(yīng)力發(fā)生了成倍的增加。在其余三種加固方式下，管腿上的應(yīng)力相差不大，差值在1 MPa左右，其中以短膠(四角)這種加固方式最優(yōu)。

2.3 仿真結(jié)果分析

從模態(tài)仿真結(jié)果中可以看出，對(duì)印制板上的芯片采用點(diǎn)膠處理，會(huì)對(duì)印制板的一階固有頻率產(chǎn)生5%

左右的影響。其中，短膠(中間)這種加固方式對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響最大，其振型與其他三種方式不同，最大形變位置更靠近印制板的幾何中心位置。文中選取了位置1處的芯片最為主要考核對(duì)象，從隨機(jī)振動(dòng)的結(jié)果中可以看出，短膠(中間)情況下芯片管腿上的應(yīng)力最大，這可能是由于位置1處的芯片離印制板上最大變形處的距離較近，較大的變形導(dǎo)致了管腿上的應(yīng)力變大。其他三種情況下，位置1處的芯片離印制板最大變形位置較遠(yuǎn)，因此管腿上的應(yīng)力較小。

3 結(jié) 論

以某機(jī)載電子設(shè)備中的印制板為例，分析了印制板上芯片在不同點(diǎn)膠情況下管腿上應(yīng)力的大小。盲目的對(duì)芯片進(jìn)行點(diǎn)膠加固是不科學(xué)的，例如文中位置1處(印制板幾何中心偏上)的芯片在短膠(中間)這種情況下，管腿上的應(yīng)力遠(yuǎn)大于無(wú)膠的情況。對(duì)于位置1處的芯片，采用短膠(四角)這種方式明顯更好。因此，在芯片的點(diǎn)膠加固設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合芯片在印制板上的具體位置，進(jìn)行初步分析之后，再選擇相應(yīng)的點(diǎn)膠工藝，從而真正起到對(duì)芯片的加固效果，提高芯片的可靠性。

參考文獻(xiàn):

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