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片式元器件再流焊接接合部工艺可靠性设计及举例

2019-05-15 11:56
可靠性杂坛
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一、片式元器件焊点工艺可靠性设计

1.确定最小钎料量

1)最小钎料量的结构模型关于焊点必要的最小钎料量的标准,存在下述两种计算法的结构模型。(1)滨田正和给出的焊接接合部最小钎料量的结构模型滨田正和认为:在外力作用下片式元器件接合部产生的应力会随钎料量而变化,如图1所示。

图1 片式元器件焊接部发生的应力分布

滨田正和认为:这个应力分布有下述两个特征。

●片式元器件形成的接合部,没有像QFP、SOP那样的短引线(可起应力耦合和吸收作用),故所有应力都集中在钎料部。因此,与具有短引线的器件相比,其接合部可靠性要低些,特别是当组装基板发生弯曲变形的情况下,其接合部很可能产生裂纹。

●在片式元器件焊接接合部发生的应力随钎料量而变化,可按其变曲点来判断,变曲点在片式元器件电极部高度的1/2以上的弯月面(图1弯曲面的50%的地方)形成。发生在焊接接合部的应力以该点为界而急剧变小。由上述特征可以判断,钎料量将直接影响到接合部的可靠性。

一方面,钎料量过多,像后面焊盘设计项中所说,容易发生曼哈顿(立碑)现象。从而,对片式元器件的必要的钎料量,可以上面所说的变曲点为标准,即在元器件电极部高度(H)的1/2以上弯月面(图1的弯月面50%的地方)的形成量来确定,如图2所示。

图2 片式元器件焊接接合部必要的钎料量

(2)IPC-A-610给出的焊接接合部最小钎料量的结构模型IPC-A-610第3级对片式元器件规定了钎料量最低可接受标准,如图3所示。

图3 IPC-A-610给出的焊接接合部最小钎料量

(3)上述两种结构模型对焊点可靠性影响的评价上述给出的两个涉及焊接接合部最小钎料量的结构模型,假定元器件的结构尺寸、焊盘尺寸和在焊盘表面的润湿面积均相同的情况下,按照二者必需的最小钎料的计算标准计算出来的最小钎料量相差2.7倍。从焊点的结构强度来看,滨田正和模型的安全系数明显要大。从确保可靠性要求(特别是无铅制程的焊点)出发,以下我们均以滨田正和的结构模型(见图2)和式(1)进行具体的接合部工艺可靠性设计计算。H/2≤F≤H (1)式中 H——片式元器件电极高度;F——钎料在电极端面的润湿高度。

2)工艺可靠性设计(确定必需的钎料量)根据图2所示的结构模型,参照式(1)可计算出各类CHIP、SMD钽电容钎料量范围,如表1所示。表1 片式元件尺寸

当F=H/2时,对应必要的最小钎料量,而当F=H时,则对应焊点允许的最大钎料量。焊点接合部主要由足跟(Q1)、足趾(Q2)、足底(Q3)和足侧等部分组成,如图4所示。

图4一个焊点的钎料组成

当焊盘宽度和元器件电极宽度等宽(近似等宽)时,足侧部焊点钎料可忽略不计。在元器件焊接时,假定钎料与焊盘的接触角为45°,若对焊盘尺寸元器件的浮动量取t=0.1mm,设Chip电极的高度为H,宽度为W,长度为T,焊盘宽度为X,长度为Y,以及L、C、G、Z的定义如图5所示,则其片式元件的结构尺寸和对应的焊盘尺寸,分别如表2所示。

图5 Chip的外形和焊盘尺寸

表2 焊盘尺寸

根据上述结构模型和尺寸,片式元件再流焊接接合部的最大和最小钎料量可近似地按下列公式计算:(1)最大钎料量(体积)Qmax(h=H)。

(2)最小钎料量(体积)Qmin(h=H/2)。

二、焊盘设计片式元器件相对应的尺寸和焊盘尺寸

如图6所示,具体参数可参照SMC供应厂商的产品目录。

图6 片式元器件焊盘尺寸的确定

1)计算焊盘宽度x可根据片式元器件宽度(W)和位置精度(δ4)按下式确定。x=W+δ4 (2)式中 x——焊盘宽度;W——片式元器件宽度;δ4——片式元器件位置精度。元器件的位置精度可根据元器件本身宽度(W)的尺寸精度(ΔW)和贴片机贴装精度(δ5)来求得。而片式元器件贴装时焊盘的宽度(x),以片式元器件末端电极不超出焊盘的规定来确定。确定焊盘宽度(x)要考虑到元器件宽度(W)方向的尺寸偏差,即宽度(W)尺寸精度(ΔW)和元器件实际贴装时的贴装精度(δ5),由片式元器件尺寸精度ΔW、贴装精度±3σ(σ为标准偏差)的统计数据的均方根值求得,即

式中 δ4——元器件位置精度;δ5——贴装精度;ΔW——片式元器件宽度(W)尺寸精度。2)LS、LL的计算焊盘尺寸LS、LL可根据接合部可靠性要求决定。

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