QFP焊点可靠性及其翼形引线尺寸的优化模拟

摘要

SMT焊点的可靠性问题是关系到电子产品能否广泛应用的关键问题。本文针对某型号产品对QFP元器件的特殊要求，利用有限元分析方法，通过改变引线几何尺寸、模拟焊点应力应变变化趋势等影响QFP元器件焊点可靠性的主要因素进行了系统的研究，并通过热循环试验对采用有限元计算得到的结果进行了验证。 研究建立了J形引线的二维有限元分析模型，计算结果表明：J形引线元器件焊后整体变形明显，焊点应力应变最大部位位于焊点根部，焊趾处次之，中心部位最小；J形引线焊点的根部应力集中区域比较广，为整个焊点最薄弱的部位，易发生疲劳破坏，计算结果与实际情况相吻合。 重点探讨了QFP翼形引线的可靠性问题，二维模拟结果显示：引线焊点最内侧底面部位应力集中明显，是整个焊点最脆弱的部分；工艺尺寸选择引线厚度0.15mm，引线高度0.65mm，与焊盘接触长度0.5mm，与陶瓷接触长度0.15mm时，二维结构最稳定。三维模拟结果显示：引线间距相同时，随着引线宽度的增加，焊点最大应力值逐渐增加，引线宽度相同时，随着引线间距的增加，焊点最大应力值并不完全呈下降趋势，存在一个焊点最大应力的最小值。优化模拟结果发现，引线宽度为0.15mm，中心间距0.2mm（实际存在间距0.05mm），可能是QFP元器件微型化发展的极限值。 在数值模拟的基础上，通过对QFP元器件的焊点抗拉试验与加速老化试验的研究发现：固定QFP元器件的引线间距时，随着引线宽度的增加，焊点的抗拉强度逐渐减小。固定引线宽度为0.22mm时，QFP-100元器件的抗拉强度最大，QFP-48元器件的抗拉强度次之，QFP-32元器件的抗拉强度最小，均与模拟计算结果相吻合。加速老化试验的结果表明：QFP元器件焊点失效的实际热循环次数（186次）与理论模拟结果（213次）基本吻合，随着热循环次数的增加，焊点抗拉强度逐渐降低，断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变。 研究结果为某型号产品组件优化提供了数据支持，对于电子行业QFP元器件的焊点寿命评价具有较好的理论指导意义。