QFN焊点的液桥形态分析与自组装焊接结构设计

发布时间：2018-04-17 03:30

本文选题：方形扁平无引线封装 + 回流焊　；参考：《西安电子科技大学》2016年博士论文

【摘要】：随着便携式智能电子终端设备的快速发展,促使电子器件向着小型化、轻薄化、廉价化和高性能的方向快速发展,迫切需要提高封装密度,减小封装尺寸,增加封装体的引脚数,减小引脚间距,增强封装体电性能和散热性能。电子封装正向着微型化和高性能的方向快速发展,国内外关于电子封装的研究课题也愈来愈多。而方形扁平无引线(Quad Flat Non-leaded Package(QFN))封装结构,具有小型化、轻量化、廉价性、高散热性、低阻抗、低自感等诸多结构和性能上的优点,很好地契合了电子封装的发展趋势,因此在电子封装行业得到了广泛的应用。但是,QFN的封装特点也决定其在实际应用中要面临着许多技术方面的问题。例如,QFN封装器件的焊接高度较低,容易出现桥连,焊锡鼓包等缺陷。随着焊盘尺寸及其节距的不断减小,焊接成品率不断降低。QFN的无引线的封装样式决定了引脚上的焊点应力无法通过引线变形来调节缓合,对小焊点的使用寿命造成不利影响。由于装配QFN器件的印制电路板(Printed circuit board(PCB))返修难度及成本较高,因此对QFN器件的首次焊接成品率提出了较高的要求。为了解决QFN器件在实际应用中面临的问题,本文基于界面科学及毛细力学的理论主要进行了如下的研究工作,(1)建立液桥的拟三维张力等效模型。从Young-Laplace方程出发,提出合理的几何近似,得到矩形结构化表面间液桥的形态微分方程组。基于润湿性区域给出了边界条件,运用边值误差函数极小化的最优化方法,提出将边值问题转化为初值问题的非线性常微分方程组的求解方法,得到液桥形态特征参数及受力变化规律,给出反映液桥受力与液桥高度关系的刚度特性曲线。同时将本理论的计算结果与Surface Evolver (SE)的仿真结果对比,发现两者计算结果吻合度较好,证明了本文所述理论的正确有效性。研究结果可以作为QFN焊点形态分析的一种CAE方法。(2)根据选定的QFN封装器件,归纳总结了三类常见焊点的液桥形态。根据SE软件初步的仿真分析结果,总结各类焊点液桥的几何特征。对液态散热焊点作柱筒型曲面近似,对内圈引脚处焊点和外圈引脚处的焊点两端液气界面作椭圆近似,然后建立各焊点对应的液桥形态微分方程组。根据熔化焊锡在焊盘表面上的润湿性的变化,将回流焊接过程区分为“滑移”和“铰链转动”阶段,给出了边界条件,并建立了对应的边值误差目标函数,为分析QFN的液态焊点的形态及受力提供理论依据。(3)提出了以提高焊点群自组装适应能力为目标的焊盘结构设计思想。运用边值误差函数极小化的方法将边值问题转化为初值问题的常微分方程求解问题,得到液桥刚度特性曲线。针对刚度特性曲线分析,总结出自组装焊接平衡位置处于内外圈小焊点刚度特性曲线的中间位置时,QFN具有最大可焊接高度容差,适应芯片和PCB的平面度误差及热翘曲变形造成的焊接间隙分布不均匀性的能力强。(4)以提高焊点群自组装适应能力为焊盘结构设计目标。基于液态焊点刚度特性曲线,提出了使QFN具有最大可焊接高度容差的PCB焊盘设计准则。通过改变PCB焊盘设计尺寸来满足该准则,可以显著提高焊接成品率,降低生产成本。算例表明,本文结果与SE软件仿真的结果吻合较好。本文所述方法可大大提高了计算效率,而且避免了SE软件所存在的网格面交叉或者无法判断能量是否达到最小的问题。
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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN405

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