QFN焊點(diǎn)的液橋形態(tài)分析與自組裝焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著便攜式智能電子終端設(shè)備的快速發(fā)展，促使電子器件向著小型化、輕薄化、廉價(jià)化和高性能的方向快速發(fā)展，迫切需要提高封裝密度，減小封裝尺寸，增加封裝體的引腳數(shù)，減小引腳間距，增強(qiáng)封裝體電性能和散熱性能。電子封裝正向著微型化和高性能的方向快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外關(guān)于電子封裝的研究課題也愈來愈多。而方形扁平無引線(Quad Flat Non-leaded Package(QFN))封裝結(jié)構(gòu)，具有小型化、輕量化、廉價(jià)性、高散熱性、低阻抗、低自感等諸多結(jié)構(gòu)

2、和性能上的優(yōu)點(diǎn)，很好地契合了電子封裝的發(fā)展趨勢(shì)，因此在電子封裝行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。
　　但是，QFN的封裝特點(diǎn)也決定其在實(shí)際應(yīng)用中要面臨著許多技術(shù)方面的問題。例如，QFN封裝器件的焊接高度較低，容易出現(xiàn)橋連，焊錫鼓包等缺陷。隨著焊盤尺寸及其節(jié)距的不斷減小，焊接成品率不斷降低。QFN的無引線的封裝樣式?jīng)Q定了引腳上的焊點(diǎn)應(yīng)力無法通過引線變形來調(diào)節(jié)緩合，對(duì)小焊點(diǎn)的使用壽命造成不利影響。由于裝配QFN器件的印制電路板(Printed c

3、ircuit board(PCB))返修難度及成本較高，因此對(duì)QFN器件的首次焊接成品率提出了較高的要求。
　　為了解決QFN器件在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題，本文基于界面科學(xué)及毛細(xì)力學(xué)的理論主要進(jìn)行了如下的研究工作，
　　(1)建立液橋的擬三維張力等效模型。從Young-Laplace方程出發(fā)，提出合理的幾何近似，得到矩形結(jié)構(gòu)化表面間液橋的形態(tài)微分方程組。基于潤(rùn)濕性區(qū)域給出了邊界條件，運(yùn)用邊值誤差函數(shù)極小化的最優(yōu)化方法，提出將邊

4、值問題轉(zhuǎn)化為初值問題的非線性常微分方程組的求解方法，得到液橋形態(tài)特征參數(shù)及受力變化規(guī)律，給出反映液橋受力與液橋高度關(guān)系的剛度特性曲線。同時(shí)將本理論的計(jì)算結(jié)果與Surface Evolver(SE)的仿真結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者計(jì)算結(jié)果吻合度較好，證明了本文所述理論的正確有效性。研究結(jié)果可以作為QFN焊點(diǎn)形態(tài)分析的一種CAE方法。
　　(2)根據(jù)選定的QFN封裝器件，歸納總結(jié)了三類常見焊點(diǎn)的液橋形態(tài)。根據(jù)SE軟件初步的仿真分析結(jié)果，總結(jié)各

5、類焊點(diǎn)液橋的幾何特征。對(duì)液態(tài)散熱焊點(diǎn)作柱筒型曲面近似，對(duì)內(nèi)圈引腳處焊點(diǎn)和外圈引腳處的焊點(diǎn)兩端液氣界面作橢圓近似，然后建立各焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液橋形態(tài)微分方程組。根據(jù)熔化焊錫在焊盤表面上的潤(rùn)濕性的變化，將回流焊接過程區(qū)分為“滑移”和“鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)”階段，給出了邊界條件，并建立了對(duì)應(yīng)的邊值誤差目標(biāo)函數(shù)，為分析QFN的液態(tài)焊點(diǎn)的形態(tài)及受力提供理論依據(jù)。
　　(3)提出了以提高焊點(diǎn)群自組裝適應(yīng)能力為目標(biāo)的焊盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。運(yùn)用邊值誤差函數(shù)極小化的方法

6、將邊值問題轉(zhuǎn)化為初值問題的常微分方程求解問題，得到液橋剛度特性曲線。針對(duì)剛度特性曲線分析，總結(jié)出自組裝焊接平衡位置處于內(nèi)外圈小焊點(diǎn)剛度特性曲線的中間位置時(shí)，QFN具有最大可焊接高度容差，適應(yīng)芯片和PCB的平面度誤差及熱翹曲變形造成的焊接間隙分布不均勻性的能力強(qiáng)。
　　(4)以提高焊點(diǎn)群自組裝適應(yīng)能力為焊盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)?；谝簯B(tài)焊點(diǎn)剛度特性曲線，提出了使QFN具有最大可焊接高度容差的PCB焊盤設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過改變PCB焊盤設(shè)計(jì)尺寸來滿