封装器件多应力叠加失效仿真分析与验证

李 逵，张志祥，杨宇军，刘 敏

（西安微电子技术研究所，西安 710000）

1 引言

随着航天工程和武器装备对高质量、长寿命、小型化需求的不断增加，对高等级、高可靠的混合集成电路需求也日趋迫切。在航天领域，采用双列直插式（DIP）封装的混合集成电路得到大量应用。DIP封装器件通过引脚焊接在PCB板上，承担着电气连接和机械连接的作用，器件的失效直接导致电子产品的失效，因此DIP封装器件的可靠性备受关注[1]。

DIP封装器件在实际使用过程的不同阶段会承受各种应力，这些应力叠加会大大降低产品抗恶劣环境的能力。当前围绕封装器件开展的失效研究较多[2-6]。文献[4]通过应用云纹干涉法和Twyman/Green干涉法进行实际测试，同时结合有限元法开展DIP封装器件的综合应力评价。文献[5]提出了一种面向双列直插式PCB板改进的辅助面-集中质量等效建模方法，大大加快失效分析仿真计算效率。文献[6]运用FMECA失效分析方法开展DIP封装器件故障分析。上述研究主要围绕在某特定工况环境下发生失效的DIP封装器件，通过仿真或者试验手段开展失效分析，而针对DIP封装器件在多种工况下的失效研究较少。本文主要针对星载用某DIP封装器件在多种工况下发生失效的问题开展多应力叠加失效分析。

目前针对器件在多工况下应力叠加仿真计算主要采用分载荷步的方法，将上一工况结果当作后续工况分析的载荷条件来完成应力叠加仿真[7-10]。本文提出一种基于ANSYS Workbench有限元软件的多工况下应力叠加仿真方法，实现不同工况、不同仿真模型的多工况应力叠加仿真分析，为器件的失效机理分析提供理论依据。

2 封装器件失效分析及仿真建模

2.1 器件失效问题分析

某星载计算机在温循试验后发现DIP封装器件失效，对器件进行排查并用光学放大镜检查，发现玻璃绝缘子产生裂纹。图1为失效DIP封装器件的详细结构图。DIP封装器件的柯伐管脚通过玻璃绝缘子与金属管壳钎装而成。器件在整机的内部位置如图2所示，器件焊接至电路板后安装在整机中，在印制板和机箱壳体之间安装金属散热器，器件通过电路板的螺钉和金属散热器的螺钉同时安装固定在机箱上，因此DIP封装器件在整机中的安装属于过定位装配。

图1 DIP封装器件详细结构

图2 整机内部结构示意

对DIP封装器件的玻璃绝缘子裂纹产生原因进行分析，可知器件发生失效主要经历三个工况：器件与电路板焊接工况，电路板与整机装配工况，整机温循试验工况。DIP封装器件出现失效的原因可能是由于以上某个工况或多个工况产生的应力导致玻璃绝缘子开裂，本文据此预测建立有限元模型开展失效机理分析。

2.2 有限元建模

将DIP封装器件的结构模型适当简化，并重点对管壳和玻璃绝缘子部分进行精细化网格划分，DIP封装器件和整机的有限元模型如图3所示。表1列出了所用主要材料的物性参数。

表1 主要材料特性参数

图3 有限元模型

3 单工况仿真模拟分析

3.1 器件与电路板焊接工况分析

经过排查，检查出器件与电路板焊接工况阶段，DIP封装器件的两排管脚间距尺寸与电路板焊盘尺寸不匹配。DIP封装器件管脚的间距为46.55 mm，电路板的焊盘间距设计为47 mm，因此器件在焊接时管脚需向外产生位移变形才可插入电路板，变形量为(47-46.55)/2=0.225 mm。本工况的仿真对象为单个DIP封装器件，约束条件为底面全固定，位移载荷设置为0.225 mm。经过计算得出器件玻璃绝缘子第一主应力云图结果见图4。

图4 器件与电路板焊接工况下玻璃绝缘子主应力云图

由仿真结果可知，玻璃绝缘子最大第一主应力为143.68 MPa，此时绝缘子的主应力已接近其强度极限（147 MPa），安全裕度较小，因此该工况下焊接尺寸不匹配对玻璃绝缘子的强度影响较大，管脚发生较大位移时可能导致玻璃绝缘子开裂失效。

3.2 电路板与整机装配工况分析

在电路板与整机装配环节，电路板的安装属于过定位装配。整机与电路板装配示意图如图5所示，电路板与整机过定位装配后散热器与机箱盒体会存在间隙或过盈，导致电路板产生变形，使器件承受一定的机械应力。经过公差理论计算得出该工况下过定位装配引起的最大间隙值为0.10mm，最大过盈值为0.05mm。

图5 整机与电路板装配示意

分别对整机模型的间隙配合和过盈配合两种过定位装配的工况进行仿真分析。约束条件为机箱盒体底面全固定，在散热器与机箱的接触面上施加相应的位移约束。经过计算，0.10 mm间隙配合工况下的玻璃绝缘子最大主应力为74.89 MPa，0.05 mm过盈配合工况的最大主应力为34.07 MPa。其中0.10 mm间隙配合工况的玻璃绝缘子第一主应力云图见图6。

图6 0.10 mm间隙配合工况的玻璃绝缘子主应力云图

由仿真结果可知：（1）在整机过定位装配工况下，玻璃绝缘子最大第一主应力值均小于强度极限值，因此电路板与整机装配工况对器件的强度影响较小，玻璃绝缘子不会产生破坏；（2）0.10 mm间隙配合工况的仿真结果大于0.05 mm过盈配合工况结果，因此单工况下0.10 mm间隙配合对器件的影响大于0.05 mm过盈配合的影响。

3.3 整机温循试验工况分析

整机产品在温循试验阶段的温度载荷条件为-35～70℃，金属管壳、玻璃绝缘子和柯伐管脚等结构材料的热膨胀系数不匹配将会产生热应力。对整机模型施加温度载荷进行热应力仿真分析，经过计算，-35℃低温工况下的玻璃绝缘子最大主应力为133.98 MPa，70℃高温试验工况下的玻璃绝缘子最大主应力为71.28 MPa。其中-35℃低温工况下的玻璃绝缘子第一主应力云图结果见图7。

图7 -35℃低温工况下的玻璃绝缘子主应力云图

由仿真结果可知，在整机温循试验工况下，低温下的玻璃绝缘子最大第一主应力小于强度极限，玻璃绝缘子不会产生破坏，但安全裕度较小，因此整机温循试验工况的低温环境对模块强度影响较大。

4 多工况应力叠加仿真分析

4.1 多工况应力叠加仿真方法

DIP封装器件在整机温循试验阶段发生失效，此时DIP封装器件已经历器件与电路板焊接和电路板与整机装配两个工况环节，由焊接尺寸不匹配和整机过定位装配产生的机械应力会与温循下的热应力叠加，形成多工况多应力叠加现象，有可能导致器件失效。以上三个工况叠加仿真时，由于器件在各个工况均会产生应力和变形，且仿真对象不同，因此无法通过常规的多个载荷步分布计算来模拟应力叠加现象，这是本文所要解决的仿真工程应用难题。

结合有限元仿真软件ANSYS Workbench开展多工况应力叠加仿真方法研究，提出一种多工况叠加的仿真方法，其仿真流程见图8。多工况的应力叠加仿真分析主要需解决不同工况下的位移变形传递和应力传递问题。应力传递通过在各单工况的前处理阶段插入APDL命令流输出应力结果文件，之后在叠加仿真中输入应力读取命令实现，由于各个工况下的仿真对象不同，位移变形结果的传递需经过模型转化后重新装配各工况下的有限元模型，形成最终的多工况有限元模型，完成仿真计算。

图8 多工况下应力叠加仿真流程

DIP封装器件在焊接尺寸不匹配工况下的仿真对象为单个器件，在整机过定位装配工况下的仿真对象为整机结构，因此需要在整机温循工况下完成最终有限元模型的重新装配，模型重新装配过程如图9所示。

图9 有限元模型重新装配过程

4.2 多工况应力仿真分析

由于电路板与整机装配环节分间隙配合和过盈配合两种载荷条件，整机温循试验环节分高温和低温两种载荷条件，根据单工况各种载荷条件之间的组合，多工况仿真分析的种类包括4种。依据多工况应力叠加仿真方法完成器件的多应力叠加仿真分析，得出不同仿真分析下的玻璃绝缘子最大主应力值（见表2）。-35℃低温下综合应力的仿真结果见图10。

图10 多工况低温下玻璃绝缘子第一主应力云图

表2 多工况下玻璃绝缘子最大主应力汇总

由仿真结果可知，多应力叠加下低温环境应力仿真结果均大于高温下的仿真结果，且两种过定位装配的低温下玻璃绝缘子最大主应力均超过强度极限值147 MPa，因此低温条件的多工况下玻璃绝缘子会产生破坏。

5 结果分析与试验验证

5.1 仿真结果分析

表3给出了器件在各工况下的仿真分析结果，通过仿真对比分析可知：

表3 各工况下玻璃绝缘子最大主应力

1）器件与电路板焊接工况引起的机械应力对管壳器件的强度影响大于电路板与整机装配工况影响，且玻璃绝缘子的安全裕度较小，有破坏的风险；

2）在多应力叠加下，0.05 mm过盈配合的多工况应力均大于0.10 mm间隙配合下的应力，与单工况电路板与整机装配环节的仿真结论相反，说明多应力叠加会根据不同工况呈现一定的规律；

3）在多工况叠加下，-35℃低温下的多应力叠加应力结果均大于70℃高温下的综合分析结果，且低温下的玻璃绝缘子强度均超过强度极限，因此多工况下的低温环境会导致玻璃绝缘子被破坏。

由以上分析可知，DIP封装器件失效最大可能是器件在焊接尺寸不匹配、过定位装配和温循试验三种工况下，机械应力和热应力综合作用导致玻璃绝缘子产生裂纹出现失效。

5.2 试验验证

根据上述分析结果，采用合格的DIP封装器件依次经历不同工况条件最终在整机内完成温循试验。首先器件在板级安装时管脚向外产生0.225 mm位移，之后在整机安装时使电路板产生0.10 mm的间隙装配，最后整机进行-35～70℃环境下的温度循环试验，分别在高温和低温阶段使用40倍立体显微镜对样品器件的管壳玻璃绝缘子进行外观检查。

试验发现在低温阶段玻璃绝缘子出现新增裂纹，该结果与前文得出的多工况下低温失效的机理分析结论一致，且该裂纹沿着引线结合面呈月牙形并逐步向外扩展，试验后的检查照片见图11，与图10多工况下仿真分析得出的失效应力区域和形态基本一致。仿真结果与试验现象吻合较好，验证了本文失效机理分析方法的正确性。

图11 玻璃绝缘子局部裂纹放大实物与仿真对比

6 结论

本文对某DIP封装器件在温循试验中出现的失效现象进行失效机理分析，建立了器件和整机有限元模型，分别对器件在使用环节中可能产生失效的原因进行单工况仿真分析和多工况应力叠加分析。基于ANSYS Workbench有限元仿真软件，提出一种实现器件在多工况下的应力叠加仿真的多工况叠加仿真方法。结果表明，DIP封装器件的失效是器件在使用过程中由于焊接尺寸不匹配、过定位装配引起的机械应力与温循试验中的热应力叠加，使玻璃绝缘子产生裂纹导致的，仿真结果与试验现象基本吻合。本文提出的多工况叠加仿真分析方法为DIP封装器件在多工况下的应力叠加失效机理分析提供了参考。