某型號低壓差線性穩壓器失效分析

任贊，喬志壯，劉林杰

某型號低壓差線性穩壓器失效分析

任贊，喬志壯，劉林杰

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

某型號低壓差線性穩壓器在篩選試驗中出現電源輸出不正常的情況，經檢驗發現管殼側壁陶瓷出現裂紋，裂紋導致管殼陶瓷中的金屬化布線斷裂，進而造成信號輸出異常。使用有限元分析的方法對主要產生熱應力的兩個階段，即管殼釬焊、板級回流焊接進行模擬仿真，找出陶瓷出現裂紋的力學原因，并據此提出陶瓷管殼結構的改進方案——減少應力來源，減小散熱片面積；加大陶瓷結構結實度，在總體厚度不變前提下，增加陶瓷體厚度。重新做應力分析，通過對比，在相同溫度條件下優化方案仿真應力數值改善明顯，優化結構耐受熱載荷能力得到極大提高，結構非常安全。根據仿真結果制作樣品并對樣品進行可靠性試驗驗證。結果表明，改進設計可以解決封裝器件板級篩選試驗中出現的陶瓷層裂紋問題。

陶瓷封裝；有限元分析；壽命周期；電子產品

1 引言

高可靠電子產品從生產到交付用戶使用的整個壽命周期內，產品要經歷不同的環境狀況，特別是溫度變化[1]。在循環溫度變化時，焊接界面因封裝基材和印制板的熱膨脹系數失配而產生交變的應力和應變，最終導致焊點或元器件封裝管殼的損傷或失效[2]。

一般的產品在生產加工后都需要經過篩選試驗來檢測產品裝配工藝的可靠性，超過一定循環次數的產品才被認為是可靠的。產品在溫度沖擊中的熱可靠性分析一直受到較多的關注，相關的計算機模擬工作也被廣泛運用到各種不同形式封裝的器件中[3-4]。

2 失效分析

某型號低壓差線性穩壓器在篩選試驗中出現電源輸出不正常情況。該器件采用7引線DDPAK陶瓷表貼封裝，器件封裝外形尺寸如圖1所示。

圖1 器件外形圖

該器件封裝外殼封口環材質為4J34，陶瓷體為多層Al2O3高溫高燒陶瓷，熱沉為Mo70Cu30。

該器件的安裝使用一般是采用再流焊方式焊接到印制板上。經檢驗發現管殼側壁陶瓷出現裂紋，裂紋可能導致管殼陶瓷中的金屬化布線斷裂、內部電路基板開裂。為確定外觀觀察到的輕微裂紋是否延伸至內部，對殼體右側研磨一定深度，可觀察到裂紋較為清晰，位于陶瓷臺階交疊面，如圖2所示，所以，可確認由于陶瓷出現裂紋導致電路開路失效。

圖2 研磨后側面裂紋

通過以上試驗確認，電路管殼外側存在細微裂紋，即位于陶瓷臺階層位置的陶瓷管殼內部存在裂紋，導致PIN7端口金屬布線斷裂而使PIN7開路，從而引起Vout無輸出的故障。

ANSYS是最常用的有限元分析軟件，功能強大，利用該軟件可以對穩壓器陶瓷管殼進行熱應力分析，繪制出應力分布圖，針對管殼陶瓷部分所受應力，找出應力集中區與陶瓷裂紋之間的關系。

3 模擬分析

管殼陶瓷部分出現裂紋，主要是由于陶瓷管殼的熱膨脹系數（簡稱，7.5×10-6℃）與熱沉Mo70Cu30（8.2×10-6℃）、PCB板等之間存在差異，在管殼生產時的釬焊、器件的板級焊接、等熱載荷環節中，熱沉與陶瓷之間產生熱應力。當陶瓷殼體存在結構突變（即臺階位置）時，在該結構突變位置產生應力集中，使得結構突變位置出現過大應力，當陶瓷所受應力值超過陶瓷的耐受強度時，就會使脆性的陶瓷出現裂紋。同時，不同階段的殘余應力發生累積，隨著熱應力不斷累積，微裂紋不斷擴展，最終形成宏觀裂紋。

基于上述機理，對主要產生熱應力的兩個階段進行模擬仿真，關鍵材料參數設置如表1所示。根據陶瓷管殼結構、尺寸以及焊接到印制板上的組裝方式，建立印制板組裝件的ANSYS仿真模型，然后對模型進行網格劃分，在應力比較集中的部位進行網格細分，以便得到較為準確的結果。

表1 熱分析材料參數表

材料名稱CTE/（10﹣6 ℃）彈性模量/GPa泊松比 氧化鋁陶瓷7.53140.25 封口環、引線4J346.81420.317 熱沉MoCu308.22500.31 硬釬焊料Ag72Cu2815.6900.33 軟焊料Sn63Pb3724.51520.35 FR416270.11 PCB銅箔161080.31

應力分布云圖分別如圖3、圖4所示。由圖可見，在管殼釬焊、板級回流焊接過程中應力集中明顯，且板級回流焊接過程中由于疊加PCB板的影響，臺階位置應力最大，達到280 MPa。

圖3 釬焊過程管殼應力分布

圖4 板級焊接過程管殼應力分布

由于陶瓷的極限抗彎強度為400 MPa，封裝行業內通常認為經驗安全系數為1.5，根據安全系數=極限強度/實際允許承受強度，可知實際允許承受強度為267 MPa。由于板級回流焊接過程下臺階位置應力達280 MPa，已超過實際允許承受強度267 MPa，所以，板級回流焊接是導致殼體出現裂紋的主要原因。

4 優化改進

為了避免由于熱應力引起的陶瓷裂紋，在保證器件電熱性能的前提下，分別從應力來源、提高陶瓷結構強度方面對管殼結構進行更改：減少應力來源，減小散熱片面積；加強陶瓷結構結實度，在總瓷厚度不變的前提下，加厚下部瓷體。

保持仿真條件不變，重新仿真，優化管殼兩個階段的應力分布云圖分別如圖5、圖6所示。由圖可見，優化方案仿真應力數值改善明顯，優化結構耐受熱載荷能力得到極大提高，結構非常安全，陶瓷臺階位置已經不是應力集中區域。陶瓷臺階位置最大應力43.5 MPa，遠小于優化前的280 MPa。雖然最大應力區域均為陶瓷底面與熱沉接觸的4個角，但最大應力各階段下降均超過50%。陶瓷臺階位置最大應力遠小于實際允許陶瓷承受強度267 MPa這一安全強度，優化后結構將非常安全。

圖5 釬焊過程優化后管殼應力分布

圖6 板級焊接過程優化后管殼應力分布

優化后的管殼方案在保證管殼電性能、散熱能力、用戶焊接兼容性等前提下，管殼耐受熱載荷能力得到極大提高，結構非常安全，可以解決板級焊接過程中瓷裂導致引腳開路的問題。

5 結論

管殼陶瓷部分出現裂紋，主要是由于陶瓷管殼的零件之間熱膨脹系數、PCB板等之間存在差異，在管殼生產時的釬焊、器件的板級焊接、溫度循環等熱載荷環節中，熱沉與陶瓷之間產生熱應力。當陶瓷殼體存在結構突變時，在該結構突變位置產生應力集中，使得結構突變位置出現過大應力，當陶瓷所受應力值超過陶瓷的耐受強度時，就會使脆性的陶瓷出現裂紋，使陶瓷內部金屬布線斷裂，最終導致引腳連接性開路。通過減少應力來源、加強陶瓷結構結實度來進行結構優化。根據仿真結果制作樣品并對樣品進行可靠性試驗進行驗證。結果表明，改進設計可以解決封裝器件板級篩選試驗中出現的陶瓷層裂紋問題。

［1］成鋼.膨脹系數匹配對電子產品可靠性的影響［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2010，28（6）：32-36.

［2］周斌，邱寶軍，羅道軍.片式元件焊點的熱循環應力應變模擬技術研究［J］.電子元件與材料，2008，27（7）：58- 61.

［3］章蕾，郭好文，何倫文，等.貼片焊層厚度對功率器件熱可靠性影響的研究［J］.半導體技術，2007，32（11）：933 -936.

［4］成鋼.電路板設計中的膨脹系數匹配問題［J］.電子設計工程，2011，19（3）：57-60.

TM44

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.058

2095－6835（2020）13－0140－02

〔編輯：張思楠〕