一种LCCC24封装器件的焊接可靠性应用研究

一种LCCC24封装器件的焊接可靠性应用研究

王军龙 梁彦龙

陕西长岭迈腾电子股份有限公司 陕西 宝鸡 721000

摘要：LCCC封装器件具有体积小、密度高、散热性能好、电性能优等特点，且器件自身具备较高的可靠性，在军工电子领域有着广泛的应用。但因其无引线的特点，以及基板材料Al2O3与印制板FR-4基材焊接时的热膨胀系数存在较大差异，产品焊接后在温度循环、随机振动等环境试验后，会出现局部的焊点失效和可靠性下降等质量隐患，使其在高可靠性产品的应用领域受到一定的禁限用。目前一些航天航空院所已将此类封装器件列为禁限用类器件。因此，通过优化焊接工艺或改进该类器件的封装结构来提升LCCC封装器件的焊接可靠性显得尤为重要。本文以一种LCCC24封装器件为例，通过优化焊接工艺和改进封装结构两种方法，对其焊接可靠性进行试验分析，有效改善焊接可靠性。

关键词：LCCC；焊接工艺；封装结构；焊接可靠性

引言

LCCC（无引线陶瓷芯片载体）器件因其小体积、高密度和高散热性能等特点在军工领域中有着广泛的应用。LCCC封装类器件大多焊接在FR-4印制电路板上，其陶瓷本体与印制板基材的热膨胀系数存在较大差异，在焊接过程中会出现热失配，是该类器件在电路中工作失效的主要原因。文中选取一种LCCC24封装器件，在FR-4印制电路板上进行焊接验证，采用常规的SMT焊接工艺、优化后的焊接工艺和改进封装结构的焊接工艺进行焊接可靠性对比分析，确定有效的焊接方案，提升器件的装联可靠性。

1 器件封装结构介绍

研究使用LCCC24封装器件进行焊接与环境试验，其本体尺寸为20.35mm×11.25mm×4.60mm，引脚间距为1.52mm。器件除两端连接的24Pin脚外，底部中心部位设计有5.54mm ×4.65mm的热沉焊盘。器件封装外形如图1所示。

图1  LCCC24器件封装结构图               图2  24线陶瓷扁平双列引线封装结构

2 试验项目及方法

2.1 试验方案

试验除使用常规的SMT焊接LCCC24器件外，为优化焊接工艺，提升焊接可靠性，降低器件热循环疲劳引起的失效率，采用ECSS-Q-ST-70-38C推荐的焊接时对器件底部抬高的方法来降低器件失效率。目前底部垫高的焊接方法主要有两种：一种是底部加垫工装抬高，通过回流焊进行焊接，需匹配器件抬高高度和锡膏印刷高度之间的关系；另一种方法是对LCCC24器件引脚进行改装，将LCCC器件改装成“CSOP”或“植球类CBGA”封装的器件，来提高焊接可靠性。

为验证方案的有效性，实施抬高焊接和改进封装结构方案，进行焊接可靠性验证和对比分析。

2.2 试验准备

2.2.1 LCCC24器件封装结构改进

在确保器件功能和基本外形尺寸不发生改变的前提下，将LCCC24器件的封装改进为24线陶瓷扁平双列引线（CSOP24）封装形式，同时兼容LCCC24器件的PCB焊盘的封装尺寸，顶部封装采用平行缝焊工艺。器件封装外形如图2所示。

2.2.2 器件取样与印制板制作

随机抽取24只器件，其中LCCC24器件16只，同功能结构改进的CSOP24封装器件8只，制作焊接用印制线路板6块，使用材料为FR-4的4层板对称结构，每个PCB板对称设计LCCC24 PCB焊盘4组，用于焊接24只器件。

2.3 试验样品制作

2.3.1 器件除金

LCCC24与CSOP24封装器件均为焊端镀金器件，直接进行焊接时焊端的金镀层与焊料间会发生冶金反应生成金锡合金，产生金脆，影响焊接可靠性。因此器件焊端需进行除金搪锡处理，焊接前检查焊端的平整性。

2.3.2 器件焊接

将制作的6块印制线路板清洗烘干后依次编号为1#-6#，使用0.15mm厚的印制钢网分别印刷Sn63Pb37锡膏，印刷后开始贴装器件。其中1#、2#板贴装8只LCCC24器件，3#、4#板在所有器件贴装区域非焊盘位置使用0.15mm的无纺布胶带进行对称垫高后贴装8只LCCC24器件，5#、6#板贴装8只结构改进的CSOP24器件。贴装完成后检查各器件贴装在焊盘的中心位置，使用Sn63Pb37回流焊焊接曲线进行回流焊焊接，焊接后用去离子水清洗3次，在100℃烘箱中烘干2h。

2.3.3 焊点外观和X光检测

在不小于10倍的电子显微镜下检测6块线路板上的焊接器件各引脚焊点润湿角良好，清洗干净，无锡珠、助焊剂等多余物。使用X光机进行无损检测，所有焊接器件各引出端焊点连续，无明显的空洞和气泡，确保试验前焊接良好。

2.3.4 电参数测试

使用36641A数字万用表分别测试每个焊接器件的焊端导通性，确保各引出端连接导通，记录输出端（Pin1-Pin2）的直流电阻值，测试结果见表1。

2.4 环境可靠性试验

2.4.1 温度循环

焊接在印制线路板上的24只器件按GJB 548B-2005 方法1010.1中的试验条件B(低温：-55℃，高温：125℃)进行温度循环试验，连续进行50个循环。

2.4.2 随机振动

焊接在印制线路板上的24只器件按GJB 360B-2009方法214中的条件Ⅱ-E在X、Y、Z三个方向进行随机振动试验，三个方向的振动时间各为0.5h。

3 试验结果及分析

3.1 试验后电参数测试

焊接在印制线路板上的24只器件在完成温度循环和随机振动试验后，测试并记录输出端（Pin1-Pin2）的直流电阻值，结果见表1。

表1  器件焊接后与环境试验后的输出端直流电阻值（单位：Ω）

通过对比环境试验前后的输出端直流电阻值，1#、2#板SMT工艺焊接的LCCC24器件输出端直流电阻有明显增大趋势，3#、4#板垫高后焊接的LCCC24器件直流电阻85%以上趋于稳定，5#、6#板焊接CSOP24器件的输出端直流电阻不变，趋于稳定。

3.2 金相切片分析

对24只焊接器件的焊点进行金相切片分析，在金相显微镜下观察焊点样貌。金相研磨后的部分照片如表2所示。

表2  器件焊点的金相切片研磨样貌图

金相切片分析显示，器件焊点位置均形成了IMC合金层，常规SMT焊接的器件焊点裂纹比例约55.4%，垫高后焊接的器件裂纹比例约19.2%，改进的CSOP24器件裂纹比例约0.6%。依据ECSS-Q-ST-70-38C的规定“焊点内部裂纹小于25%焊点长度”的要求，垫高后焊接和结构改进的CSOP24焊接能够满足焊接可靠性要求。

4 结论

通过试验和分析，LCCC24器件使用常规的SMT贴装工艺焊接，环境试验后焊点失效比例较大，器件底部抬高焊接可显著提高焊接的可靠性，LCCC24结构改进为CSOP24后焊接，可有效提高器件的抗环境试验疲劳度，确保器件的装联可靠性。

参考文献：

[1] 任小刚，徐延东.  LCCC 封装器件焊点可靠性研究[J]. 电子工艺技术，2013.

[2] 荣克林，侯传涛.  LCCC 电子封装结构的热疲劳寿命分析[J]. 强度与环境，2014.

[3] 李雪，王泽锡. 某LCCC 器件焊点开裂原因分析及工艺改进[J]. 电子工艺技术，2016.