面向智能电表的贴片电容焊盘尺寸设计*

路 韬，黄友朋，党三磊，张 捷，韩立帅

(1.广东电网有限责任公司计量中心,广东 广州 510062；2.工业和信息化部电子第五研究所,广东 广州 510610)

随着智能电表的广泛应用,小型化印制电路板组件(PCBA)的需求日益增大,希望同时保证组件小尺寸、更好的机械强度、制造效率和PCBA 可靠性,因此必须在PCBA 设计阶段便考虑可制造性[1-4]及制造可靠性。对于印制电路板组件(PCBA)的可制造性设计来讲,表面贴装焊盘设计是其中一个重要而又容易被忽视的方面,其设计水平直接影响PCBA 组装质量[5-6]。

目前表面贴装焊盘设计的行业标准很多,其中IPC-7351B 是IPC(国际电子工业协会)制定的表面贴装设计和焊盘图形标准通用要求,是国际通用的设计规范之一。该标准充分考虑了产品组装密度、应用环境和返修等因素。在IPC-7351B 标准中,按照焊盘伸出引脚长度将PCB 焊盘划分为A、B和C 3 个密度等级,其中密度等级A 为最大焊盘伸出,适用于低元器件密度应用,典型的应用例子如暴露在高冲击或震动环境中的PCBA 产品。焊接结构是最坚固的,并且在需要的情况下很容易进行返修,人工焊接和机器焊接都易于操作,且留有较大的制造裕量。密度等级B 为中等焊盘伸出,适用于中等元件密度的产品,提供坚固的焊接结构。人工焊接和机器焊接也都可以操作。密度等级C 为最小焊盘伸出,适用于希望具有最小焊接结构要求的微型产品,可实现最高的元件组装密度,适用于机器焊接,人工焊接较难。3 个密度等级示意图见图1。

图1 PCB 焊盘尺寸设计的3 种密度等级

此外,从印制电路板组件的智能制造角度出发,希望所设计的焊盘尺寸便于实现自动化生产、自动化监测等,因此倾向于IPC7351 标准密度等级A 焊盘尺寸。但是,采用IPC7351 标准密度等级A 来开展表面贴装焊盘尺寸设计后,其焊接结构强度到底如何,目前公开发表的相关研究文献不多。因此,针对智能电表中常用的1210 表面贴装电容,本文设计了2 种焊盘设计尺寸(其中一种为IPC7351 标准推荐的密度等级A 的焊盘尺寸),对其焊接结构强度进行对比验证,希望为表面贴装焊盘设计提供技术参考。

同时采用有限元仿真分析方法对2 种焊盘所形成的焊点热疲劳寿命进行有限元对比计算,以便从焊盘设计角度为智能电表的焊点可靠性设计提供技术参考。

1 实验与仿真计算

研究所选实验样品为1210 表面贴装电容,尺寸信息见表1。

表1 CT41G 1210 电容的尺寸信息

根据IPC7351B 标准,焊盘尺寸标识示意图见图2,所做的PCB 焊盘尺寸见表2。

表2 1210 表面贴装焊盘的焊盘尺寸设计

图2 IPC 7351 B 标准的Chip 类型表面贴装焊盘尺寸标识方法

依据表2 的焊盘尺寸来分别制作1210 电容的PCB 侧焊盘,采用同样的组装工艺共制备了6 块PCBA 组件,见表3,组装后1210 电容的典型外观照片见图3。

表3 1210 焊盘电容组件制备信息

图3 1210 电容组装后的典型外观照片

1.1 推力实验

采用微机控制电子万能试验机E43.104(设备允许误差中示值误差±2%,重复性2%),参照标准JIS Z3198-7:2003,以10 mm/min 的速度对组装后1210 电容结果开展剪切强度实验。实验过程示例见图4,剪切强度实验后断裂模式说明见表4,典型剪切强度测试曲线见图7(a)。

图4 剪切强度测试示例图

表4 剪切强度实验后断裂模式说明

1.2 焊点热疲劳寿命有限元仿真分析

目前,国内外对于焊点疲劳模型和寿命预测方法都进行了大量研究,已提出的焊点疲劳寿命预测模型主要有基于应力的疲劳寿命预测模型、基于非弹性应变的疲劳寿命预测模型、基于蠕变应变的疲劳寿命预测模型、基于能量的疲劳寿命预测模型、基于损伤的疲劳寿命预测模型和基于断裂力学基础的疲劳寿命预测模型等[7-9]。其中,基于塑性应变的疲劳寿命预测模型和基于能量的疲劳寿命预测模型最为常见,采用基于塑性应变的疲劳寿命预测模型来进行焊点热疲劳寿命计算。

(1)建模与网格划分

采用SolidWorks 针对2 组不同焊盘设计尺寸建立对应的PCBA 三维结构模型,应用Workbench 软件进行有限元仿真分析,有限元模型如图5 所示。模型中PCB 尺寸为10 mm×10 mm×2 mm,焊盘尺寸与表2 中尺寸一致,电容封装尺寸为1210 表贴电容,主要结构参数为10 mm×10 mm×2 mm。模型在网格划分时网格单元均为六面体,并对焊盘、焊点和陶瓷体进行局部网格细化以得到更精确的有限仿真分析结果。

图5 1210 表贴电容PCBA 组件有限元模型

(2)载荷

采用热-力间接耦合方式对PCBA 组件经历的热循环载荷进行模拟,然后再以温度场分布作为预应力载荷,计算由此产生的热应力。热循环载荷采用温度范围-5 ℃～100 ℃,高低温保温时间10 min,温变速率15 ℃/min,循环周期为34 min。由于计算资源限制了对所有循环进行模拟,一般认为几个循环后焊点的粘塑性流动达到稳定,即应力和应变的增加量达到稳定,就可以准确表述焊点的应力和应变变化,通过模拟计算可得5 个循环后等效应力增量趋于稳定,因此设定载荷循环数为5 个循环,有限元模拟加载曲线如图6 所示。

图6 热循环载荷曲线图

(3)材料参数

作为有限元模拟的重要输入量,材料性质的准确描述将会直接影响到仿真结果的精度。

对于钎料合金来说,其室温下的约比温度(T/Tm)就高达0.6 以上,因此钎料合金是一种典型的率相关材料,采用Anand 本构模型描述钎料的粘塑性,Anand 本构模型参数见表5。

表5 焊点材料ANAND 模型参数

模型中除了焊料外均采用线弹性关系描述其应力应变关系,有限元分析中采用的材料线性参数见表6,其中材料参数和有限元模拟选取的参考温度均为25 ℃。

表6 模型材料参数

2 结果及讨论

2.1 推力实验结果

剪切强度实验后的典型结果见图7。由剪切强度测试曲线可以获得最大推力值(图7(a)中曲线峰值位置),由实验后外观检查则可以确认剪切强度实验断裂模式。

图7 1＃C58 的剪切强度曲线及测试后外观观察照片

1210 电容的剪切强度测试结果见表7,可以看出,所有样品的断裂模式都是Type1,即元器件损伤；说明在本测试条件下,对于1210 电容焊接结构来讲,无论是IPC7351 密度等级A 焊盘还是对比尺寸焊盘所形成的焊接结合强度都不是其焊接结构力学薄弱位置。

表7 1210 焊盘电容的剪切强度测试结果

采用Minitab 软件分别对表7 数据进行假设检验分析,数据处理结果见表8 和图8。在显著性水平0.05 时,可以判定IPC7351 密度等级A 焊盘的1210 电容推力Fmax的均值大于对比尺寸焊盘的1210 电容推力Fmax的均值。

图8 不同尺寸焊盘电容结构最大推力值数据统计分析

表8 1210 电容的推力数据处理结果

2.2 焊点热疲劳寿命有限元仿真分析

由于PCBA 热疲劳失效主要出现在焊点处,因此更着重关注焊点与焊盘中应力应变分布情况。

7351 焊盘焊点中弹性应变与其塑性应变相比小很多,如图9 和图10 所示,高温保温结束时焊点中最大塑性应变(0.016 80)为其最大弹性应变(0.002 85)的5.89 倍。

图9 7351 焊点等效塑性应变图

图10 7351 焊点等效弹性应变图

图11 为焊点中塑性应变和弹性应变随时间的变化情况,也可以看出塑性应变大于弹性应变。由于塑性变形是不可恢复的,因此其对失效的贡献程度更大。

图11 7351 焊盘的焊点中塑性应变与弹性应变随时间变化趋势

采用同样方法提取采用对比焊盘尺寸模型中焊点部分等效塑性应变和等效弹性应变,分布情况如图12 和图13 所示,高温保温结束时焊点中最大塑性应变(0.0104)为其最大弹性应变(0.0023)的4.52 倍。

图12 对比尺寸模型焊点等效塑性应变图

图13 对比尺寸模型焊点等效弹性应变图

图14 为焊点中塑性应变和弹性应变随时间的变化情况,也可以看出塑性应变大于弹性应变。

图14 对比尺寸焊点中塑性应变与弹性应变随时间变化趋势

(2)焊点热疲劳寿命预测

提取焊点上危险位置的应力应变结果,绘制出应力-应变滞回曲线,曲线呈逐渐收敛的滞回环形状,其包围的面积为塑性应变能。在曲线上选取相对稳定的滞回环,即可获得在一个温度循环过程中该处的累积塑性应变。

通常认为热应力是在热循环过程中焊点内部裂纹萌生和发展的动力[10],但是塑性应变则是焊点累积损伤度的宏观表现[11],因此一个器件的最大应力和最大应变焊点均为其危险焊点。

低周热循环疲劳失效模式下,焊点的热循环寿命与应力应变关系通常可用修正的Coffin-Manson模型来描述[12]:

式中:Δγ为等效塑性应变幅,其值等于焊点在一个循环周期内累积的塑性应变量的3倍；εf为疲劳延性系数；应变敏感指数c与热循环条件有关[13]。

式中:Ta为热循环平均温度,f为热循环频率42.4,2εf、C0、C1、C2是和钎料有关的系数。对于Sn63Pb37,其值分别为0.615、0.442、6×104、1.74×102；基于仿真中所加载的温度参数,计算得到c值:

修正的Coffin-Manson 模型中,焊点的寿命与一个循环内累积的塑性应变量呈负相关。对于最大应力和最大应变焊点不为同一个焊点时,滞回曲线应为二者中一个循环内累积塑性应变量较大者。

图15 和图16 为IPC 7351 和对比焊盘焊点的应力应变滞回曲线。可以发现,曲线向左回复并逐渐稳定,在第4 个热循环后,滞回环基本稳定,因此选择第5 个热循环过程中焊点累积的塑性应变,作为焊点在一个循环周期内累积的平均塑性应变。

图15 IPC7351 推荐尺寸焊点应力应变回滞曲线

图16 对比尺寸焊点应力应变回滞曲线

根据式(1)计算得到两类焊点的寿命见表9。

表9 2 种模型焊点热疲劳寿命

3 结束语

(1)在当前剪切强度测试条件下,在显著性水平为0.05 时,可以判定IPC 7351 密度等级A 焊盘的1210 电容焊接结构推力Fmax的均值皆大于对比尺寸焊盘的1210 电容推力Fmax的均值,即采用IPC 7351 密度等级A 焊盘可以获得更高的1210 电容焊接结构强度。

(2)基于修正的Coffin-Manson 模型两种焊盘尺寸模型焊点热疲劳寿命结果,发现IPC7351 标准推荐焊盘尺寸寿命为52 123 个循环、对比焊盘尺寸的寿命为55 538 个循环,两类焊点热疲劳寿命值均较高(大于104个温度循环)。

(3)为保障产品具备更适用的机械强度/热疲劳可靠性,应该充分了解产品的应用环境剖面和可靠性指标,在产品设计之初便开展焊盘设计和焊点可靠性分析与鉴定。