元器件点胶方式对芯片可靠性的影响

元器件点胶方式对芯片可靠性的影响姜健;醋强一;张丰华;田沣;刘治虎【摘要】针对某机载电子设备上的印制板结构进行了板级的随机振动分析利用Workbench仿真软件，研究了芯片在长胶、短胶（中间）、短胶（四角）和无胶四种不同点胶方式下，芯片管腿上应力的大小.在实施点胶工艺时，需要考虑点胶的形式以及芯片在印制板上的相对位置，盲目的点胶并不一定能提高芯片的可靠性.研究内容为同类型的芯片加固设计提供了思路和经验.【期刊名称】《机械研究与应用》【年（卷），期】2018（031）002【总页数】3页（P12-13,17）【关键词】电子设备结构;点胶方式;随机振动;有限元【作者】姜健;醋强一;张丰华;田沣;刘治虎【作者单位】西安航空计算技术研究所，陕西西安710068;西安航空计算技术研究所，陕西西安710068;西安航空计算技术研究所，陕西西安710068;西安航空计算技术研究所，陕西西安710068;西安航空计算技术研究所膜西西安710068【正文语种】中文【中图分类】TN410引言不同种类、材料的电子元器件通过表面贴装、通孔安装等方式安装到印制电路板（PCB）上。在工作过程中，大多数的电子线路故障是由于元器件引线或焊点发生机械故障造成的。近年来，经过大量工程试验和案例已经表明：大约有20%的电子线路故障是由于振动和冲击造成的［1］。因此为了提高电子设备的可靠性，需要对电子设备进行振动分析，以便于更好地指导产品的设计工作。研究表明，在部分情况下，振动冲击所引起的疲劳失效甚至会成为焊点的主要失效原因，为了解决这一问题，可采用点胶的方式对芯片进行加固，已达到减小焊点上的应力，提高焊点的可靠性的目的［2］。通过Workbench仿真软件，针对表贴芯片建立三维模型，在随机振动条件下，分析其长胶、短胶（中间）、短胶（四角）和无胶四种不同点胶方式对元器件焊腿可靠性的影响。为随机振动条件下表贴芯片的点胶方式提供理论指导。1电子设备结构形式和有限元模型建模1.1电子设备结构形式以某机载电子设备中的印制板为例，使用Workbench有限元软件对典型表贴器件在随机振动条件下的力学行为进行模拟分析。表贴器件通过管腿与印制板相连接，为保证仿真精度，芯片采用完整模型进行仿真建模，对印制板上的六个安装孔设置全约束，结构形式如图1所示。仿真加载条件为20~2000Hz的随机振动，量值为0.1g2/Hz。图1电子设备结构形式1.2有限元模型建模由于该结构的复杂性，考虑到仿真计算速度的问题，需要对该模型进行合理化的简化，以保证仿真的高效性和可操作性。简化操作包括：①忽略印制板上的次要器件，建立主要考核器件模型；②忽略相关结构件，约束直接施加在螺纹孔内壁；③忽略器件上的小圆角等不会对计算结果产生明显影响的特征。按上述原则进行建模，对于四种不同的点胶方式，其模型示意图见表1所示。在模型建立过程中，表贴芯片采用陶瓷封装形式，其弹性模量为370GPa，泊松比为0.23，密度为2300kg/m3；管腿材料为可伐合金，其弹性模量为137GPa，泊松比为0.35，密度为8000kg/m3；点胶材料为环氧灰胶，其弹性模量为3GPa，泊松比为0.3，密度为2000kg/m3；印制板材料采用FR4,其弹性模量为15GPa，泊松比为0.28，密度为3000kg/m3。表1四种不同点胶方式示意图2电子设备结构随机振动分析2.1模态分析首先对整体模型的固有频率进行分析，提取长胶、短胶（中间）、短胶（四角）和无胶四种不同点胶模式下的模型固有频率，其一阶固有频率依次分别为453Hz、492Hz、443Hz和460Hz。四种情况下的振型云图如表2所示。从结果中可以看出，不同点胶方式对频率及振型是存在影响的。在短胶（中间）的情况下，最大变形产生的位置更靠近印制板的几何中心，而其他三种情况下的最大变形位置则会靠近印制板的左侧。分析固有频率的结果发现，在点长胶和短胶（四角）两种情况下，印制板整体的一阶固有频率相比于无胶情况下会有轻微的下降（2%左右）。根据公式：式中:k为系统刚度，m为组成该系统的质量［5］。从公式中可以看出，在系统质量一定的情况下，系统的固有频率与结构的刚度成正比。结合仿真结果分析，发现盲目的点胶并不一定能增加系统的刚度，在长胶和短胶（四角）两种情况下反而会产生相反的效果。表2四种不同点胶方式振型示意图2.2随机振动分析选择印制板上位置1处的芯片进行应力分析，在长胶、短胶（中间）、短胶（四角）和无胶四种不同点胶模式下，芯片管腿上的最大应力分别为：14.9MPa、29.3MPa、13.3MPa以及13.9MPa。从结果中可以看出，芯片的管腿在短胶（中间）的加固方式下，管腿上的应力发生了成倍的增加。在其余三种加固方式下，管腿上的应力相差不大，差值在1MPa左右，其中以短胶（四角）这种加固方式最优。2.3仿真结果分析从模态仿真结果中可以看出，对印制板上的芯片采用点胶处理，会对印制板的一阶固有频率产生5%左右的影响。其中，短胶（中间）这种加固方式对结构的刚度影响最大，其振型与其他三种方式不同，最大形变位置更靠近印制板的几何中心位置。文中选取了位置1处的芯片最为主要考核对象，从随机振动的结果中可以看出，短胶（中间）情况下芯片管腿上的应力最大，这可能是由于位置1处的芯片离印制板上最大变形处的距离较近，较大的变形导致了管腿上的应力变大。其他三种情况下，位置1处的芯片离印制板最大变形位置较远，因此管腿上的应力较小。3结论以某机载电子设备中的印制板为例，分析了印制板上芯片在不同点胶情况下管腿上应力的大小。盲目的对芯片进行点胶加固是不科学的，例如文中位置1处（印制板几何中心偏上）的芯片在短胶（中间）这种情况下，管腿上的应力远大于无胶的情况。对于位置1处的芯片，采用短胶（四角）这种方式明显更好。因此，在芯片的点胶加固设计中，需要结合芯片在印制板上的具体位置，进行初步分析之后，再选择相应的点胶工艺，从而真正起到对芯片的加固效果，提高芯片的可靠性。参考文献：SteinbergDS.Vibrationanalysisforelectronicequipment[M].NewYork:JohnWiley&Sons,Inc,2000.MeyyappanK,McallisterA,KochanowskiM,etal.EffectsofGlueontheBendPerformanceofFlipChipPackages[J].IEEETransactionsonComponents&PackagingTechnologies,2008,31(3):670-677.郭建平，任康，杨龙，等.基于MSC.