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回流焊对塑封器件可靠性的影响

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 发布时间:2022-06-08 12:27:33 作者:火狐体育网站app下载 来源:火狐体育官方网站网址下载     浏览次数:4    

  随着人类生活品质和环境要求的提高,无铅焊接技术已经被广泛使用。其中无铅焊料 Sn-Ag-Cu 熔点为 217℃,比之前有铅焊料 Sn-Pb 的熔点(183℃)增加了 34℃,因此回流焊的工艺温度随之要求提高,其峰值温度高达 260℃。这使得目前广泛应用的塑料封装因热可靠性问题面临着巨大的挑战。在焊接高温下,塑封器件因不同材料间热膨胀系数差异产生的热应力使器件内不同界面容易发生分层。同时塑封料吸收湿气后,内部存在湿膨胀应力,使得不同材料界面间的粘合力降低,这就会进一步促进层间开裂的发生,甚至出现“爆米花”现象。这可能会拉断键合线,直接导致开路,严重威胁到塑封器件的质量

  国内外针对回流焊对塑封器件可靠性的影响以及塑封器件在焊接前的湿气扩散,已进行了大量的理论分析和计算。较多的研究者都采用二维模型对器件进行湿热仿线D模型的建立及仿线D模型能得到更准确的模拟计算数值,也有利于将仿真数据应用到实际生产中。我们采用ANSYS有限元软件,主要研究了塑封器件在湿气环境中的湿气扩散及回流焊过程的热应力分布,并对仿真结果进行数据分析和参数优化

  塑封器件在组装过程中,不同材料界面间会存在微小孔洞或者细微裂纹。其中塑封料是一种具有多孔性和亲水性的聚合物材料。当塑封器件暴露在潮湿的环境中就会吸收环境中的湿气。这些湿气随着时间会慢慢扩散到塑封器件的内部,将产生湿膨胀应力。在回流焊高温时,会产生蒸汽压力。这些应力再结合热应力,是使塑封器件最终产生“爆米花”失效的原因

  对于多数物理或化学的扩散现象,都遵循Fick第二定律。根据Fick第二定律,可以得到湿气扩散方程。对于各向同性材料:

  由于热传导也遵循Fick定律,那么可以利用有限元软件中的热仿真模块进行湿气扩散模拟。但是湿气浓度C在不同界面的变化不连续,因此“Wong”等提出一个新的场变量,相对湿度值w:

  在回流焊中,塑封器件的外表面受到了热载荷,进而热会传导到器件内部。固体内部的一维热传导遵循傅立叶定律,其表达式为:

  塑封器件的各种材料由于热膨胀系数(CTE)不同,在热传导过程中产生不同的热应力,这可能会产生翘曲变形的现象。如果热膨胀系数为常数,则热应力的公式为:

  回流焊是指通过热气流对焊点的作用,胶状的焊剂(锡膏)在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接,是 SMT 产品组装工艺中主要的板级互连方法。这种技术具有组装密度高、温度易控制和制造成本低等优点

  回流焊中焊接质量的优劣直接影响产品的质量和可靠性。做好回流焊,关键是设定回流炉的炉温曲线。理想的温度曲线设定如下图所示,该曲线主要由四个区间组成,即预热区、保温区、回流区和冷却区,前三个阶段都是加热区,最后一个阶段是冷却区

  选取某种176只引脚的LQFP封装器件作为分析对象。按照 JESD51-3 标准,建立此塑封体所匹配的PCB 板,其尺寸为 76.2 mm×114.3 mm,厚度为 1.57mm,材料为 FR-4。塑封体主要由硅芯片、导电胶、基板、引线框架和塑封料五种材料组成,忽略了金丝等材料。由于模型较大且具有对称性,为了减小计算量,采用 1/4 三维模型进行分析,并对所有模型采用六面体网格划分,如下图所示

  采用 ANSYS 有限元分析软件中瞬态热分析和稳态结构分析模块,对塑封器件在回流焊过程前的湿气扩散与回流焊过程中的热传导进行仿真分析

  根据吸湿敏感性等级表,选择30℃/RH60%与 60℃/RH60%两组湿气环境,进行回流焊前的湿气扩散模拟。湿气扩散的材料属性如下表所示

  回流焊过程的温度载荷加载过程中,为了便于仿真,假设每阶段的温度都是均匀变化的。根据回流焊温度曲线个载荷步,如下表所示

  下两张图分别是器件经过 30℃/RH60%与 60℃/RH60%两组湿气环境吸湿 168 h 的结果。通过对比可以看出,第二张图中的塑封料基本上已经达到饱和状态,而两种情况下的芯片吸湿量基本都处于干燥状态。这是因为塑封料的湿气扩散率 D·C sat 比芯片、引线框架等的湿气扩散率大得多

  下两张图是以湿气扩散分布结果为基础得到的相应的湿应力分布。由图可知,30℃/RH60%湿气环境的湿应力值为 37.6 MPa,60℃/RH60%湿气环境下的湿应力值为 68.1 MPa ,这几乎是 30℃/RH60%湿气环境的两倍。应力最大值出现在芯片顶角,逐渐向芯片与塑封料的界面扩散。因此,芯片与塑封料的界面最易发生分层,甚至“爆米花”现象。随着环境温度的升高,湿气对器件的可靠性的威胁会更大

  通过加载瞬态热分析模块的温度分布结果,可以得到塑封器件在不同时间的综合变形结果和等效应力分布图。选取 190s和 240s时器件的热仿真结果,得到器件在回流焊峰值温度260℃和回流焊结束时100℃的综合形变和等效应力结果

  回流焊结束时 100℃的综合变形和等效应力仿线°C时的综合变形结果和100°C时的综合变形结果可以看出 PCB 板和塑封器件的端点形变量最大,易发生翘曲现象260°C时的等效应力结果和100°C时的等效应力结果说明了塑封器件的热应力主要分布在芯片、塑封料及导电胶的界面处,即热膨胀系数差异比较大的材料间。芯片和基板、引脚框架的热传导率比塑封料和导电胶的要高,因此热在芯片和基板、引脚框架中的传导速度比在塑封料和导电胶中要快,那么芯片、塑封料及导电胶的区域会有较大的热量梯度,并且其交界处的热应力达到最大

  通过观察30°C/RH60°C环境吸湿168h的湿应力结果、60°C/RH60°C环境吸湿168h的湿应力结果、260°C时的等效应力结果和100°C时的等效应力结果可知热应力分布与湿应力分布相似,最大应力都出现在芯片的顶角,应力集中分布在芯片与塑封料的界面,其易出现界面分层现象

  根据温度曲线s,220s,240s的热分布结果,可以得到 9 组对应的综合变形和等效应力的最大值数据。即可获得器件的综合变形和最大等效应力随时间的变化关系,如下图所示

  比较这两张图,可以看出整个回流焊过程的塑封器件的形变量和热应力的变化趋势一致,都在180~190 s 内达到最大值,即在回流焊峰值温度的形变量和热应力值最大。与此同时塑封体内还可能存在其他的应力(如湿应力、蒸汽压力等)。在这些应力共同作用下,能使塑封体内部材料界面间发生层间开裂,如芯片与塑封料界面间、基板与塑封料界面间等;同时塑封料吸收湿气后各材料界面间的粘合力降低,这就会进一步促进层间开裂的发生。当这些应力继续作用在已经发生分层的界面,器件局部区域会发生膨胀,向外拱起,使得裂纹向外扩展。当裂纹到达器件外缘时,内部的蒸汽压力会被瞬间释放出来,发出一种像爆米花炸开的响声,即发生“爆米花”现象

  选取不同弹性模量的塑封料并且不改变其他参数的情况下,进行了塑封器件在峰值温度时的热力仿真计算,其最大热应力、形变量随塑封料弹性模量变化曲线如下图所示。由图可知,随着塑封料弹性模量的增大,器件最大热应力逐渐增大,而形变量逐渐减小。因此,弹性模量在热应力与形变量的变化间存在一个最优化数值,这里弹性模量可以选取 19 GPa

  将优化后的弹性模量参数作为定值,讨论塑封料的另一个重要参数即热膨胀系数对热应力的影响,如下图所示。由图可见,塑封器件的最大热应力和塑封料的热膨胀系数成正比关系。因此,适当的降低塑封料的热膨胀系数能有效减小塑封器件在回流焊中受到的热应力,从而减少分层现象

  通过湿、热仿真,得知器件的芯片顶角处的应力最大,最易出现裂纹甚至分层。假设在芯片顶角处存在细小的裂纹,建立相应的二维模型分析裂纹对器件的形变影响。如下图所示,随着裂纹长度的增加,器件的形变量也逐渐变大。当裂纹扩展到一定程度时,器件便会发生翘曲现象。裂纹将会延伸扩展至塑封料的外表面,甚至会使得芯片断裂等。因此,发生分层现象时,裂纹的扩展对器件的可靠性影响极大

  针对 LQFP 封装的器件建立了有限元三维模型,并对此模型进行了湿气扩散和回流焊过程的热力仿真。通过仿真得到塑封器件的湿应力、热应力分布和形变量,其中湿、热应力集中出现在芯片、塑封料及导电胶的界面处。不同的温度条件,其应力分布趋势基本相同,但温度越高应力值越大。一旦应力大小超过其中任何一种材料的屈服强度或断裂强度时,交界面处会出现裂纹或缝隙,发生分层现象,裂纹扩展到一定程度会导致器件失效

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