表面安装电路目前在航天型号应用中,常选用陶瓷封装形式。陶瓷封装相对塑料封装,具有较高的高可靠性,但近年来,陶瓷封装形式的表面安装电路在进行板级环境试验时,多次发生引出端应力疲劳断裂的现象,成为该类电路需重点控制的失效模式之一。
一、表面安装电路的陶瓷封装形式
表面安装电路具有多种不同的陶瓷封装形式,主要包括陶瓷四边引线扁平封装(CQFP)、陶瓷无引线片式载体封装(CLCC)、陶瓷小外形封装(CSOP)、陶瓷焊球阵列封装(CBGA)等。近年因表面安装电路的陶瓷封装引出端应力疲劳断裂引发的失效案例中,CQFP电路约占50%,CLCC电路约占30%,具有较高比例。
CQFP、CLCC等表面安装电路目前主要应用于存储器、微处理器等电路,与常规SMT通孔安装封装形式相比,具有体积小、重量轻、封装密度高等特点。
航天型号在对CQFP、CLCC等电路进行板级环境试验(如温度循环试验、随机振动试验等)时,电路引出端会受到试验带来的应力影响,如在温度循环试验中,引出端的焊接结构会承受因热膨胀系数不匹配带来的应力;在随机振动试验中,引出端会承受试验带来的冲击力等。以CQFP电路为例,针对外引线为直引线的该类电路(如图1左图所示),为将电路焊装在PCB板上,外引线需进行必要的打弯成形。
CQFP电路陶瓷壳体到PCB板间共有六层结构:陶瓷壳体——焊料(如AgCu焊料)——外引线——焊料(如PbSn焊料)——铜箔(即焊盘)——PCB板。焊装完成后,在单板或整机进行应力试验时,上述结构(如外引线)如果承受应力能力不足,可能发生断裂等现象。
二、引出端应力疲劳断裂问题原因
针对CQFP、CLCC电路近年来多次出现的引出端应力疲劳断裂问题,总结原因主要是:
1、电路引出端设计不当,温度、振动等板级试验产生的应力超出引出端承受能力,导致引出端断裂;
2、电路加固方式不当或焊接不良,导致引出端在板级试验中承受应力能力变差,引起断裂;
3、缺乏电路板级安装适应性考核,目前CQFP、CLCC电路仅依靠元器件级试验进行考核,缺乏相应的板级安装适应性考核,导致引出端断裂等封装带来的问题只能在板级试验后暴露,降低了电路在应用中的可靠性。
根据航天型号高可靠性要求,国产电路多选择陶瓷封装。用户希望国产产品的引出端焊接长度尽可能与国外产品保持一致。但由于封装形式不同,国产电路重量相比国外产品要大大增加,且国产电路和进口电路在引出端设计上有差别(如引出方式等),因此在二者引出端焊接长度基本相同情况下,国产电路引出端将在试验中承受更大的应力,甚至出现引出端断裂。