QFP焊点可靠性及其翼形引线尺寸的优化模拟

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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。
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