QFN系列老煉測試插座的設計

張 潔，劉 敏

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

集成電路(簡稱IC)是軍用微電子技術的核心，廣泛應用于雷達、計算機、通信設備、導航設備、火控系統和電子對抗設備等各類軍用裝備上，實現了軍用電子裝備的小型化、輕型化、輕量化、高可靠。為了保證集成電路器件的質量，集成電路制造廠對其生產的每種集成電路封裝器件都要進行測試－老練試驗，所以必須具備與產量和品種相適應的很多規格的老煉測試插座。

近年來，隨著集成電路的飛速發展，集成電路密度越來越高，耐環境適應性能越來越苛刻，相對應的老煉測試插座的節距、耐環境適應性也越來越高，同時還要求使用更便捷。

QFN(全稱 Quad Flat No－lead Package，即方形扁平無引腳封裝)是一種焊盤尺寸小、體積小，以塑料作為密封材料的新興的表面貼裝芯片封裝技術，呈正方形或矩形，封裝底部中央位置有一個大面積裸露焊盤用來導熱，圍繞大焊盤的封裝外圍四周有實現電氣連結的導電焊盤。QFN封裝件的芯數一般從14到100左右，節距為0.5mm。

圖1 QFN封裝件結構圖

QFN老煉測試插座是QFN封裝進行老煉測試必備的試驗裝置，其結構根據封裝件結構形式、節距和接觸件數目而設計，本文主要介紹QFN老煉測試插座的設計。

2 技術要求

QFN系列老煉測試插座是為QFN系列集成電路封裝件進行老煉測試的專用插座。其使用環境是實驗室內。在設計時應充分考慮溫度、濕度、壽命等綜合因素的影響。典型QFN系列老煉測試插座需滿足的要求如下:

接觸電阻:≤20mΩ;

絕緣電阻:≥5000MΩ。

介質耐電壓:600V;

工作溫度范圍:－65℃ ～150℃;

機械壽命:10000次;

高溫壽命:150℃，1000h。

3 QFN插座的設計原則

老煉測試插座設計時，應滿足如下設計原則:

零插拔力，即在插拔時對封裝件電極觸點不施加作用力;

設計的接觸壓力與接觸形狀必須合適，保證良好的電接觸;

必須滿足反復插拔、頻繁使用的要求;

接觸件的結構與鍍層以及絕緣材料的選擇必須滿足重復使用以及耐高溫的要求，防止在高溫時氧化與變形。

4 插座結構設計

4.1 整體結構設計

插座的設計最重要的是保護封裝件不被損壞，同時還要便于封裝元件輕松、快速放入和取出。根據插座的設計原則，插座需設計為零插拔力結構，由接觸件、定位裝置、機械驅動件和鎖緊機構等零部件組成，定位裝置、鎖緊機構應使得接觸件與集成電路芯片形成良好的接觸。圖2是一種QFN封裝件的翻蓋式零插拔力老煉測試插座。該插座設計為一端固定一端用卡塊鎖緊的結構，主要由接觸件、安裝板、蓋板、底座、卡塊、扭簧及軸等零件組成。這種類型的插座使用時首先將QFN封裝件放入底座中，然后通過機械裝置的驅動，閉合機械驅動件;拆卸時只要對機械驅動裝置反向施力作用，松開機械驅動件即可。

為了保證絕緣性能好，插座的安裝板和定位底座設計有若干個固定接觸件的槽，槽之間有薄壁結構以增加接觸件的爬電距離，同時為了易于散熱冷卻，蓋板與安裝板設計有散熱孔。插座蓋板上的卡塊與安裝板扣緊后，蓋板給封裝件的電極觸點以足夠的壓力，使封裝件電極觸點與老煉測試插座的接觸件可靠地接觸。為防止焊料進入接觸部位，設計時采用緊配合將接觸件壓進絕緣體，裝入印制電路板后，插座焊接的引出端高于印制電路板1mm～2mm。

圖2 翻蓋式零插拔力老煉測試插座

要保證插座的性能，插座的材料選擇尤為重要。插座體必須選擇絕緣性能優秀的材料，同時還必須保證材料的熱變形溫度高于產品的工作溫度。

4.2 定位裝置的結構設計

由于QFN系列集成電路的節距很小，為了準確定位封裝件，防止接觸不可靠，必須設計有定位裝置。上述插座的定位裝置為底座，如圖3所示。底座的槽應略大于封裝件的最大外形尺寸，同時底座設計有若干齒狀結構，齒的數量根據該插座能兼容的最大封裝件決定，相鄰齒之間的間距要小于相應QFN封裝件電極觸點的寬度;保證封裝件在產品中只能上下活動，不能左右晃動。

圖3 定位底座的結構

4.3 接觸件結構與設計

接觸件是老煉測試插座的導電彈性零件，任何一個接觸件的失效都會引起整個插座的失效。為保證整個試驗過程中接觸可靠，接觸件必須對封裝件電極觸點足夠的正壓力以保持穩定的接觸電阻。因此，接觸件的結構設計及材料選擇是產品設計的難點。

產品的接觸件結構需要根據封裝件結構進行設計，根據封裝件的節距與電極觸點寬度來設計接觸件的厚度。由于QFN封裝件的節距小，為了便于焊接，一般將接觸件設計為兩至三種接觸端結構與尺寸完全相同，焊接端位置不同的接觸件，接觸件裝配到安裝板后所有接觸件的接觸端應在同一平面內。接觸件的加工方法分為多工序跳步冷沖和光化學蝕刻兩種。光化學蝕刻(PCM)是指利用攝影技術生成的掩膜，通過選擇性化學侵蝕生產無毛刺、無應力的平整金屬元件的工程技術。

接觸件的彈性是接觸可靠性的保證，但接觸件在高溫環境中通常會產生應力松弛，使得接觸件失去彈性，造成接觸不良。在設計中，接觸件的材料選用鈹青銅帶，加工成型后鍍覆硬金。鈹青銅是一種機械性能、物理性能、化學性能良好結合的有色合金，經固溶和真空時效處理后，具有特殊鋼相當的高強度極限、彈性極限、屈服極限和疲勞極限，同時又具有高的導電率、高硬度和耐磨性，高的蠕變抗率及耐腐蝕性能，還具有良好的鑄造性能、非磁性和沖擊時無火花等性能，可以滿足制造和使用要求。

接觸件應力要合理計算，以避免造成永久性變形。接觸件的設計正確與否采用兩種方法進行驗證:一是用撓度公式計算接觸壓力，進行強度校核，以驗證結構設計是否正確;二是仿真驗證，利用ANSYS仿真軟件，對接觸件在常溫及高溫下的受力及變形情況進行二維和三維的模擬仿真。

1)用撓度公式計算接觸壓力

根據產品的使用要求進行了接觸件的結構設計。該研制產品接觸件的簡化力學模型如圖4所示。

圖4 接觸件其簡化力學模型

用梁撓度公式可計算出其接觸壓力P為:

式中，P為接觸壓力(單位為N);δ為接觸件沿力P方向的位移(單位為m);L為懸臂梁長度(單位為m);E為材料的正割彈性模量(單位為N/m2);J為截面慣性矩(單位為m4)。

彈性模量是材料在彈性范圍內應力和應變的比例系數。為了保證彈性元件可靠地工作，需保證彈性元件在發生最大超載撓度的情況下，材料所承受的應力不至于使材料出現塑性變形。設計彈性元件必須滿足的強度條件是:

式中:σmax為等截面梁內的最大正應力，Mmax為梁危險截面上的最大彎矩，Wy為抗彎截面系數，［σ］為材料的許用應力。

對于矩形截面:

式中，L為梁的有效長度，b為截面寬度，h為截面厚度。

上述不等式成立，表示有足夠的強度，彈性元件的設計是合理的。

2)ANSYS模擬仿真

利用ANSYS模擬仿真軟件，可以對接觸件的受力及變形情況進行二維和三維的模擬仿真，具有可靠性分析及優化分析能力。首先在PRO/E軟件中建立分析模型，在ANSYS中進行線性靜態分析，通過查看云圖，可以快速定位所關心點和區域的數據。再根據ANSYS模擬出來的應力、應變和支反力等數據，對彈簧的接觸點壓力和位移進行優化設計，以設計出結構合理、性能優良的接觸件。

鈹青銅材料彈性模量取135GPa，泊松比取0.3，接觸件的加載位置為與封裝件電極觸點接觸部位，采用位移加載方式，在模型固定的位置加載零位移約束;而在力加載點施加一定的位移，位移量的大小取決于驅動機構施加于彈片的作用力所產生的位移，其約束條件的設置和實際樣品完全相同。計算時，對所關心的特征點的撓度、應力和總的支反力進行跟蹤和比較。通過仿真結果確定接觸件的結構設計及材料選擇是否合理。圖5為一種QFN系列老煉測試插座接觸件的仿真，通過仿真結果可以看出，接觸件的變形及受力后所產生的應力，小于鈹青銅經處理后屈服極限σb=700N/mm2，接觸件的結構設計及材料選擇是合理的。

圖5 一種QFN插座接觸件的仿真驗證

4.4 安裝板模塊化設計

為了便于系列化產品的擴展，減少重復開模造成的不必要投入，QFN系列老煉測試插座可以設計為模塊化結構，安裝板通過卡勾直接嵌入底座中，如圖6所示。

圖6 安裝板與底座的裝配關系

生產商通過控制安裝板插入接觸件的數目或者替換安裝板可以實現兼容多種QFN芯片。根據用戶的要求，將合適的安裝板組件嵌入裝配好的插座組件中即可供貨，這種設計思路可以大大縮短產品的供貨周期，增加產品系列，提高產品質量。

5 結語

本文對QFN系列老煉測試插座的設計進行了簡單的論述。隨著QFN系列集成電路的發展，集成電路廠商對該系列老煉測試插座的需求也越來越大，根據封裝件特點的不同，設計師可以依據QFN封裝老煉測試插座的設計原則自行進行設計。

［1］ 佘玉芳.機電元件技術手冊·制造·使用·維護，北京:電子工業出版社1992.

［2］ 鄧華宇.關于集成電路插座.機電元件，1995(2～3).

［3］ 周慶平，肖穎.QFP系列老煉測試插座中接觸片的設計.機電元件2012(1).