T echnical/~
张伟
(中国电子科技集团公司第三十六研究所，嘉兴314033)
摘要：随着电子产品与系统的日益复杂化，利用仿真的手段来解决产品尚处在研发阶段的可靠性问题已成为产品可靠性设计的重要一环。来源于实际的含QFP封装器件的工程案例单板，对QFP封装的引脚和焊点进行详细建模，利用ANSYS Workbench对QFP封装焊点进行了随机振动分析，确定焊点的应力分布及危险焊点所在位置。根据随机振动仿真结果，对QFP封装进行优化和改进，并将改进后的数字样机进行仿真验证，验证结果表明改进措施有效减小了QFP焊点的等效应力。 关键词：QFP封装；焊点；随机振动；优化
中图分类号：TG454文献标识码：A文章编号：1004-7204(2021)02-0120-05
无水亚硫酸钠
Analysis and Optimization of Random Vibration of QFP Package Solder Joints
ZHANG Wei
(The36th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Jiaxing314033) Abstract:With the increasing complexity of electronic products and systems,it has become an important part of product reliability design to use Simulation to solve the reliability problem of products in the research and development stage.Derived from the actual engineering case board containing QFP packaged devices,the QFP package pins and solder joints are modeled in detail,and random vibration analysis of QFP package solder joints is performed using ANSYS Workbench to determine the stress distribution and danger of solder joints where the solder joints are located.According to the random vibration Simulation resuIts,the QFP package is optimized and improved,and the improved digital prototype is Simulated and verified.The verification results show that the improvement measures effectively reduce the equivalerrt stress of the QFP solder joints.
Key words:QFP package;solder joints;random vibration;optimization
___1—
刖旨
在当下的电子封装领域中，四方扁平封装(Quad Flat Packaging,QFP)由于工艺成熟、方便操作以及可靠性高等优点在电子封装界占据重要的地位。在QFP 封装器件中，焊点作为连接器件与PCB(Printed
Circuit Board,PCB)基板之间重要的桥梁，不仅起着电路信号的传递作用，还为封装器件提供机械支撑及保护等作用［1］o国内外相关研究表明，发生失效的电子元器件中，约有70%是由封装及其组装失效引起的，而封装失效中绝大部分是由焊点失效导致的一系列连锁反应，引发封装失效甚至整个系统的失效。
据统计，在实际的工程中，电子产品失效有20%是
由振动载荷导致的，振动载荷所产生的交变应力使焊点
易发生机械疲劳失效［2I o本文采用了ANSYS Workbench
3D有限元分析方法对实际工程中的案例单板进行模态分
析与随机振动分析，重点分析了QFP核心器件焊点的应
力分布，确定应力最大点的位置。根据分析结果，提出离开中国制造的一年
优化改进措施并进行仿真验证，最后，将改进后的仿真
结果与改进前作比较验证措施的有效性。
1有限元模型的建立
根据案例单板的结构尺寸及板上元器件的布局与尺
2021年4冃/April2021120
+士-4A~+亠/np echnical
玖不二/1Column
寸利用Solidworks三维绘图软件进行建模并装配。图1所示为整板及QFP封装器件三维模型、图2所示为QFP 封装器件焊点的三维模型图。
2随机振动载荷下的有限元分析
2.1模态分析
结构的振动特性反应了结构对动力学载荷的响应情
况，这一振动特性只与结构自身的尺寸、材料和约束有关，与载荷的输入量无关，我们将这一振动特性称之为模态°铁因此，在进行随机振动分析之前，必然要先进行模态分析，了解结构的固有振动特性。
按照有限元仿真的一般流程，首先进行仿真的前处理，定义材料属性、网格划分以及施加约束条件。案例单板的主要结构组成为PCB、陶瓷封装体、塑封体、焊点及引脚，各结构对应的材料及参数如表1所示。
有限元分析的核心是网格划分，网格的优劣宜接影响分析的精度和仿真结果，甚至是求解计算问题。AN-SYS Workbench提供了5种网格划分方式，分别为自动划分网格(Automatic)、四面体网格(Tetrahedrons)A 六面体域网格(Hex Dominant)、扫掠网格(Sweep)、多重区域网格(MultiZone)，每种网格划分方式都有各自的优缺点及适用范围，本案例采用的是自动划分加局部尺寸控制的方式进行网格的划分，具体的模块尺寸控制如表2所示。
根据上述网格划分方式进行网格划分，划分结果如图3所示，随后进行网格的质量检查，本案例采用Skewness(单兀畸变度)作为检查项，Skewness是单兀相对于其理想形状的扭曲程度，其值越接近0质量越好，单元畸变度的平均值为0.52，说明网格质量良好。
网格划分完成后，需要对其进行施加约束条件，根据实际的工程情况，本案例单板是通过主板二侧按压的方式约束，在建模时利用ANSYS SpaceClaim在正反面二侧进行切割面操作，切割7mm的分割面，分别对4个切割面进行固定约束(Fixed Support)。
以上工作完成后，即可求解模态，设置提取前六阶
图］整板及QFP封装器件三维模型
表1材料参数设置
材料结构密度(kg/m3)弹性模量(GPa)泊松比FR-4PCB2190180.25陶瓷陶瓷体219026.50.25塑料塑封体128015.50.25 63Sn37Pb焊点847039.450.365 Kovar引脚79801380.32
表2网格划分方式
结构网格划分方式尺寸控制
PCB Automatic5mm Dll、D12Automatic2mm
引脚(Pin)Automatic0.2mm
焊点(Solder)Automatic0.2mm
121环境技术/Environmental
Technology
T echnical/+士—4^.~土亠Column/玖不W不二
模态，前六阶模态频率如表3所示。
2.2随机振动分析
进行完模态分析之后，即可进行随机振动分析，随机振动分析是基于概率统计技术的一种谱分析方法，本案例单板采用的功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)如表4所示，PSD激励施加于案例单板的固定约束处，即PCB板的四个切割面。由于案例单板在实际发生随机振动时位移变形主要为Z方向，焊点在此方向上所受的交变载荷最大，故PSD激励方向设为Z方向。
求解后，提取随机振动载荷下的应力及位移分布结果，如图4所示，分别对应于随机振动条件下QFP焊点的等效应力、剪应力及位移分布云图，最大等效应力为28.086MPa，最大剪应力为7.6424MPa，均位于QFP封装器件的左下角的引线焊点处，最大位移变形为0.0036357mm，位于QFP封装器件的右上角的引线焊点处。
3QFP封装焊点工艺改进与优化分析
如前所述，进行了随机振动载荷下的有限元分析，获取了QFP焊点等效应力分布及危险焊点的位置，为
表4案例加载的PSD谱
Frequency(Hz)PSD(G2/H z)若男和她的儿女们
200.01
850.04
3500.04
20000.007
C:ftundom VibrMion
Equivalent Stress
"uivalent Stress
tor Values1SrgmA
Probabitrty:68^69%
Unit:MPa
3,3351
0J4127
1111
I i I I
MOO24900(mm)
1300
C:Random Vibration
Shear Stress
Type;Sheer StressP<Y Plane)
Sule Fdetor VaJue:1Sigma
68269%
(a)等效应力分布云图
oo
图3网格划分结果表3前六阶模态结果
模态阶数
1
2
3
4
5
6频率(Hz)
165.44
210.13
304.28
470.34
502.28
515.05
Y
匕
Solutian C oord
M.n:6.7701e-15||JIL II
t b匚；rr
I I I I
7M24
6.794
SJ456
5J971
42481"
34003
25518
1.7034
0^5494
OQQ6503
MOO MOO2J00(mm)
0^001500
(b)剪应力分布云图
ZJjQQ(mm)
(c)位移分布云图
0^)034387
0^0032419
OJiO3M9
0:002846
0/02651
0X024541
0R022572
M02C603
O OOW633
C:Random Vibration
Dirediorial Deformation
Type: OireetianAl DsfoEationi仄Axis)
Sulv Factor Value：1Sigma
Probability：68269%
Unit:mm
Solution Coordinate System
Custom
M:0013877
图4提取随机振动载荷下的应力及位移分布结果
联想et600
2021年4月/April2021
122
+士~/1I1echnical 不二/1Column
了进一步减小QFP焊点的最大应力值，现对QFP封装器件作工艺改进，以增强QFP焊点的可靠性。
改进的基本思路主要有以下二个方面：①QFP焊点的改进；②QFP封装体的改进。现分别说明此二种措施的具体改进过程。
1)QFP焊点的改进
QFP焊点在原来的基础上整体扩宽至0.84mm(此间距不影响焊点之间的交涉)，由于引脚结构不做改变，因此，保证引脚占据焊点中间位置，焊点二侧的焊缝分别填充至0.23mm，呈对称分布，改进后的焊点三维模型如图5所示。
2)QFP封装体的改进
减小QFP焊点的最大应力，除了加固焊点外，还可以通过点胶的方式来加固封装体结构，从而减小焊点的支撑力度叫案例单板采用如图6的点胶固支模型，加固在QFP封装体的四个端角处，新增点胶材料为环氧灰胶(密度：2000kg/m3；弹性模量：3GPa；泊松比：0.3)o 对改进后的案例单板再做一次随机振动分析，按照随机振动分析的一般流程，先进行模态分析，再进行随机振动分析，具体仿真流程不再赘述。改进后的QFP焊点等效应力、剪应力及位移分布云图如图7所示。根据云图显示，最大等效应力为20.421MPa，最大剪应力为2.8411MPa，均位于QFP封装器件的左下角的引
™llandom Vibration
Equivalent Streit
Equate n t Stress
Midle Factor V I«:1Sigm』
■obabil^r:6B269%
■ihMP.
jyax:52.148
Min:0j>0025211
2019/12/1616:39
Random Vibration
Stress
Shear StrwssCXY Plan*)
tie Factor1S；gm*
tbability:68*269%
it:MPa
lution Coordinate System
(a)等效应力分布云图
2019/12/161W0
Ma74075
Min:5X561e-14
(b)剪应力分布云图
E:Rindorn Vibration
D>rection«l Deformttion
Type:Directional Deformation(X Axis)
Scale pAdor V・lu・：1Sigma
Probability:68269%
Unit;mm
Solution Coordinate System
iisCustom
Maw0D1384
Min:0
2019/12/1616^6
OM30272
0328392
M026512
0^24633
0JC22753
(M420873
6994
0332151
0£O3591
»^034031
0』00MOO2X100(mm)
0.500 1.500
(c)位移分布云图4QFP焊点应力及位移分布云图
图7QFP焊点应力及位移分布云图
123环境技术/Environmental
Technology
表5新老工艺结果比较
QFP焊点等效应力剪应力(XY平面)位移(X轴)
(Max)MPa MPa mm
老工艺2&0867.64240.0036357新工艺20.421 2.84110.003591
线焊点处，最大位移变形为0.003591mm，位于QFP 封装器件的右上角的弓I线焊点处。
将工艺改进前后的随机振动分析结果汇总为表5，比较改进前后的焊点应力最大值发现，等效应力和
剪应力明显减小，说明了工艺改进措施的有效性。由于该QFP 焊点的材料为63Sn37Pb，通过查阅相关文献问，63Sn-37Pb的抗拉强度为52MPa，抗剪强度为26.8MPa，对比改进前后的等效应力与剪应力，均明显小于焊点的抗拉强度和抗剪强度，进一步说明了改进措施的有效性和仿真结果的准确性。
4结语
通过一个实际案例单板从三维建模到随机振动分析，给出了基于ANSYS Workbench随机振动仿真的一般性流程。由于重点分析QFP封装焊点在随机振动载荷下的应力分布情况，对QFP焊点和引脚做了详细建模处理，根据随机振动仿真分析结果，确定了危险焊点的位置及最大应力值。通过改进QFP焊点的结构和增加点胶固支的措施，对QFP封装进行改进优化。改进优化后的单板重新做一次随机振动仿真验证，验证结果表明改进措施有效的减小了QFP焊点的最大应力值。本文给出了单板随机振动仿真的工作流程，提出的优化改进措施经验证措施有效，可以为电子封装的行业人员提供参考与借鉴。
T echnical/~
Column/玖不二
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作者简介:
张伟(1991-)，男，硕士，工程师，主要研究方向为装备通用
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作者简介:
肖苗苗，女，控制工程专业工程硕士，现从事元器件可靠性检
测技术研究，主要研究方向为微波类元器件检测技术开发。
2021年4月 /April2021124
豫公网安备41160202000603
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