QFP封裝元器件抗振性能分析及加固

楊龍，醋強一，劉冰野，齊文亮

（西安航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

QFP (Quad Flat Package)封裝實現的元器件引腳之間距離很小，管腳寬度一般在0.35 mm左右，廣泛應用于大規模或超大規模集成電路中，其典型芯片如圖1所示。該封裝操作方便、可靠性高、封裝尺寸小，適合高頻場景，不僅用于微處理器、門陣列等數字邏輯電路，也可用于VTR信號處理等模擬電路。當該封裝的器件應用于如機載等惡劣環境時，由于器件手冊中沒有提供相應的抗振指標，因此，會造成一定的選用困擾。在具體應用中，當選用的QPF封裝器件承受的振動量值較大時，出現概率較大的故障模式為管腿斷裂。如圖2所示，某陶瓷封裝QFP在經受振動試驗后，管腿大面積斷裂。

圖1 芯片外形

圖2 芯片故障現象

因此，在選用元器件時需了解其抗振能力。同時如果出現故障，應有合適的加固方案。

1 分析依據

目前，元器件抗振能力指標并無統一的方法和規范。國內標準如GJB 548B-2005中振動疲勞試驗方法2005中規定的試驗是正弦試驗，而元器件承受的振動為隨機振動，無法進行比較和參考[1]。但對于QFP封裝的器件管腿而言，可將元器件詳細建模后，視為結構件分析振動試驗對壽命的影響[2]。

QFP封裝元器件在使用前還需進行管腿成型，一般采用工裝進行。管腿成型需保證形貌完整，在顯微鏡下無明顯損傷。元器件建模以成型后的形狀為基礎進行。

1.1 應力分析判據

元器件管腿材料為柯伐合金，屬于塑性材料，其結構強度評價準則采用第四強度理論，如式（1）所示：

在機載環境下，元器件承受的隨機振動符合高斯概率分布，元器件的響應也符合高斯概率分布。其中3σ數值的發生時間概率是4.33%，一般取其3σ應力為最大應力。元器件承受的耐久隨機振動為壽命考核輸入，合格判據為結構最大3σ應力小于材料的疲勞強度σ-1。

1.2 壽命分析判據

米勒損傷累積理論認為：結構件在各種環境中累積的損傷是線性的，每個振動循環均用掉結構疲勞壽命的一部分。當結構件的累積損傷比之和大于等于1時，則認為壽命已完全使用，將會出現故障。由于累計損傷具有較大的散布性，一般判據為不可換的關鍵模塊、結構的累積損傷比R須小于0.3。

結構的疲勞壽命根據材料的S-N曲線進行計算，在某應力水平S下對應S-N曲線橫坐標的循環次數N即為壽命[3]。實際應力循環數ni可以根據各零件在此應力水平下的正零交越數N＋0（Hz）和振動時間T（h）的乘積求得，最后根據累計損傷比方程獲取累計損傷[4]。

Steinberg根據以上理論基礎，形成了隨機振動壽命分析三段法，目前ANSYS Workbench Mechanical仿真軟件中具有此隨機振動壽命計算方法，可直接在軟件中進行計算。

2 分析過程

2.1 仿真建模

要對元器件實際承受量值進行仿真，需要在建立元器件詳細模型的基礎上，同時創建機載電子設備的整機模型。由于強度仿真模型一般需進行簡化，為提高仿真的準確性，還需要對元器件在振動過程中的響應進行測試。測試方法一般推薦在元器件及其周圍安裝質量盡量小的傳感器，通過實際振動試驗獲取響應值，然后對仿真模型進行迭代，使其盡量與測試結果吻合。測試輸入一般選用隨機振動和掃頻振動。

2.2 諧振分析

首先，分析元器件是否在振動過程中產生諧振，從而導致管腿斷裂。對元器件單獨建模，進行固有頻率分析，具體如圖3所示。

圖3 芯片固有頻率分析

從仿真結果可以看出，芯片的一階固有頻率為1856 Hz左右。對比元器件掃頻測試結果：X方向最高諧振放大頻率出現在1528 Hz左右，Z方向最高諧振放大頻率出現在1200 Hz左右，Y方向最高諧振放大頻率出現在1087 Hz左右。元器件固有頻率附近無異常的諧振頻率，因此，可排除振動系統產生諧振，導致芯片管腿斷裂問題。

2.3 應力及壽命分析

以修正后的模型為基礎，以產品承受的振動試驗條件為輸入，對QFP封裝元器件進行仿真，重點關注元器件按管腿的應力分布和壽命情況。以圖2中元器件實際應用情況為例，其上QFP封裝元器件管腿應力和壽命分析結果如圖4所示。

圖4 器件點封示意圖

圖4 芯片管腿應力及壽命分析

其中耐久振動條件下的壽命與飛行小時對應關系可按GJB 150.16中相關要求進行折算，該芯片壽命滿足全壽命周期要求，但在Z方向余量不能達到一個數量級以上的余量[5]。同樣，Z方向3σ應力與材料疲勞強度σ-1比值為1.2，滿足3σ應力大于1的設計要求，但安全余量相對較低。因此，該元器件在承受耐久振動后，出現了管腿斷裂情況。

因此，需對該元器件進行加固，以提高產品整體可靠性。

3 加固方案及驗證

對芯片進行加固，較為簡單易行的方式為點膠加固。點膠的方式有四角點封、芯片底部點膠及元器件管腳點膠等。膠粘劑選擇時需考慮其熱膨脹系數需與元器件匹配。各種點膠方式均可通過以上理論進行應力和壽命分析。經對比，選擇四角點封的方式進行加固，具體如圖5所示，點膠后膠粘劑尺寸為在四角位置分布尺寸大約在1～3 mm。具體仿真結果如表1所示。

表1 柯伐合金物理屬性

表1 芯片點膠仿真分析

從仿真結果可以看出，芯片四周點膠可有效提高芯片壽命，提高其抗振能力。

4 結論

元器件手冊中缺乏抗振指標一直是困擾電路設計人員選擇元器件的問題。本文以應力和壽命分析為依據，以仿真和測試為手段，較為準確地了解了QFP封裝元器件的應力和壽命，可為后續元器件選用提供參考。同時，針對仿真中發現的薄弱環節通過點膠的方式進行了加固，并對加固效果進行了分析，有效提升了產品的可靠性。

這種方法還可推廣至其它封裝元器件的應力分析和壽命分析，如BGA封裝等[6]，通過仿真測試掌握元器件的抗振性能，為元器件選型和加固提供理論支撐。