某LCCC器件焊點失效原因分析及解決措施

呂正，宋陽

(1.中國電子科技集團有限公司第二十研究所，陜西西安 710068；2.西安工程大學，陜西西安 710048)

0 引言

某型無引線陶瓷芯片載體 (LCCC：Leadless Ceramic Chip Carrier)封裝器件廣泛地應用于某型設備中，具有接收通道和處理數(shù)字信號的功能。

本文針對該器件在使用過程中暴露出的焊點可靠性下降的問題進行了分析、試驗，提出了相應的改進措施并對改進結果進行了驗證，對于避免該類問題重復發(fā)生具有重要的意義。

1 失效背景

某型設備在使用過程中出現(xiàn)設備報故的現(xiàn)象，將故障設備返廠分析時觀察到輸出信號不穩(wěn)定，經隔離分析確認為信號處理電路故障。

根據(jù)經驗，設計師對該LCCC封裝器件施加垂直于電路的力后，輸出信號正常，故障現(xiàn)象消失；撤消該力，再次出現(xiàn)信號不穩(wěn)定現(xiàn)象，故判斷該器件故障是由于其焊點偶發(fā)失效而造成的。隨后設計師對該器件進行更換，設備測試正常后出廠。

但隨后一段時間，大量的該型設備又出現(xiàn)了設備報故的問題，并且均為該器件的焊點失效導致的；此類故障已成為了該型設備返廠的主要原因，此問題一時導致設計師難以理解。

2 焊點失效分析及措施

2.1 器件概況

該器件采用N阱CMOS單層多晶雙層金屬工藝制造，LCC68引線封裝，其工作溫度范圍為：-55～+125℃，外形尺寸為：24.43 mm×24.43 mm×3.05 mm。該器件的外形如圖1所示。

圖1 器件外形圖

該器件為表面貼裝器件，生產中使用高精密度激光模板進行焊膏刷印，使用MR933回流焊爐進行回流焊生產，工藝方法及過程參數(shù)穩(wěn)定。

2.2 失效原因分析

通過對故障設備器件的焊點進行X光檢測，發(fā)現(xiàn)部分焊點出現(xiàn)疲勞裂紋等現(xiàn)象，結果如圖2-3所示。對多批次、不同使用時間和不同使用環(huán)境的返廠設備進行X光檢查，現(xiàn)象基本相同。

圖2 器件X光檢查圖

圖3 失效焊點X光檢查圖

經分析發(fā)現(xiàn)，該LCCC陶瓷封裝材料為Al2O3，其熱膨脹系數(shù) (CTE：Coefficient of thermal expansion)為7.0e-6/℃；印制板材料為FR-4，CTE為16e-6/℃，兩種材料的CTE相差9.0e-6/℃。而有關資料顯示，當需要產品有較高的可靠性時，其材料之間的CTE之差應小于5.0e-6/℃[1]。

在歐洲航空標準化協(xié)作組織 (ECSS)的標準中指出，當LCCC器件的引腳數(shù)量大于16時，焊點的可靠性會受到影響，由于器件陶瓷本體與印制板 (FR-4)的CTE不匹配，有可能導致焊點在使用過程中產生疲勞裂紋直至失效[2]，因此不建議將其應用在有高可靠要求的產品中[1]。

綜上所述，該器件焊點失效的主要原因是大尺寸68引腳LCCC器件在使用中隨時間發(fā)展焊點的可靠性逐漸地降低直至失效。

2.3 故障復現(xiàn)

2.3.1 復現(xiàn)試驗

為了驗證原因分析的正確性，該廠組織開展了故障復現(xiàn)試驗。試驗順序、項目如表1所示。

表1 故障復現(xiàn)試驗順序、項目

a)環(huán)境應力篩選試驗

1)振動試驗

頻率域： 20～2 000 Hz；

加速度功率譜密度：0.01～0.04 g2/Hz；

振動方向：垂直于印制板平面；

振動一次的時間：5 min；

振動次數(shù)：5次。

環(huán)境應力篩選試驗圖譜如圖4所示。

圖4 環(huán)境應力篩選試驗振動試驗圖譜

2)溫度沖擊試驗

溫度： -55～+95℃；

常溫停留時間：3 min；

保溫時間：各20 min；

循環(huán)次數(shù)：24次。

b)環(huán)境適應性試驗

1)低溫存儲試驗

低溫存儲溫度為-55℃，保溫24 h，恢復到常溫后再進行測試。

2)低溫工作試驗

低溫工作溫度為-55℃，保溫1 h后測試，測試后恢復到常溫。

3)高溫存儲試驗

高溫存儲溫度為+70℃，保溫48 h，恢復到常溫后再進行測試。

4)高溫工作試驗

高溫工作溫度為+70℃，保溫1 h后測試，測試后恢復到常溫。

5)溫度沖擊試驗

高溫為+85℃，低溫為-55℃，各保持2 h，轉換時間小于5 min，循環(huán)3次，恢復到常溫后再進行測試。

6)振動試驗

沿3個相互垂直的軸向進行，每個軸向的試驗時間為1 h，每個軸向的試驗結束前測試，試驗圖譜如圖5所示。

7)沖擊試驗

沿3個相互垂直的軸向進行，每個軸向的試驗結束前測試，沖擊試驗的條件如表2所示。

圖5 環(huán)境適應性試驗振動試驗圖譜

表2 沖擊試驗條件

8)濕熱試驗

將溫度調至+30℃，在2 h內，將溫度由+30℃升到+60℃，相對濕度升到95%，保持6 h；

在8 h內，將溫度由+60℃降到+30℃，保持相對濕度大于85%；

溫度保持在+30℃，相對濕度保持在95%，持續(xù)8 h。

按照上述條件循環(huán)10次，在第五個和第十個周期結束前，溫度為+30℃，相對濕度為95%，測試。

2.3.2 試驗結果

對比試驗前后對器件同一焊點進行X光檢查所得到的結果 (如圖6-8所示)，發(fā)現(xiàn)：LCCC器件的焊點位置發(fā)生了明顯的變化，器件與印制板間的焊點表面出現(xiàn)裂紋和形變，不再光滑連續(xù)。對該器件的68個焊點進行檢查，發(fā)現(xiàn)：發(fā)生此類變化的焊點占比超過該器件所有焊點的50%。該器件焊點重復性失效問題得到復現(xiàn)。

圖6 試驗前后焊點X光對照圖 （左側為試驗后）

圖7 試驗前后焊點X光對照圖 （左側為試驗后）

圖8 試驗前后焊點X光對照圖 （左側為試驗后）

2.4 改進措施

為了解決該問題，提出了兩種解決方案。即：1)增加陶瓷轉接板，如陶瓷的PGA轉接板，解決各種材料之間的CTE不匹配的問題，提高LCCC器件的焊點可靠性；2)使用更成熟、應用范圍更廣的帶引腳的陶瓷芯片載體 (CLCC：Ceramic Leaded Chip Carrier)代替LCCC，提高焊點的可靠性。

由于該器件用于機載設備，設備內部的空間有限。如果采用第一種方案，會增加電路的高度，在振動條件下可能導致電路碰撞，引發(fā)嚴重的后果。而采用第二種方案，不會增加電路的高度，只涉及工藝改進，故該廠決定采用第二種方案進行改進。

CLCC型外殼以其體積小、重量輕、布線面積小、壽命長、分布式電感及線間電容小、I/O數(shù)目大、可靠性高和成本低等優(yōu)勢，在軍事裝備、各種現(xiàn)代化通訊系統(tǒng)設備和電子儀器中所起的作用越來越大，其地位也越來越顯著[2]。

與LCCC相比，CLCC采用J形內彎引腳取代燒結在器件本體上的接觸點，金屬引腳及其彎曲結構能夠很好地釋放由于器件與印制板的CTE不同而帶來的應力，因而從理論上來說其不存在因材料之間的CTE不同而帶來的潛在焊點斷裂風險。

2.5 試驗驗證

為了驗證改進措施的有效性，該廠組織開展了措施有效試驗驗證工作。試驗過程與2.3.1章節(jié)所述相同。

改進后器件同一焊點試驗前后的X光檢查結果如圖9-11所示，對改進后器件的68個焊點進行檢查，未發(fā)現(xiàn)焊點、引腳和基材有發(fā)生變化，機載設備在各項試驗測試中功能、性能均正常，由此改進措施的有效性得到了試驗驗證。

2.6 結論

通過以上試驗發(fā)現(xiàn)，大尺寸LCCC封裝器件在長期使用過程中，會由于各種材料之間的CTE不匹配而導致焊點受力，產生裂紋，試驗結果與原因分析結論一致。改進后的CLCC封裝器件的引腳及焊點經過環(huán)境適應性試驗，試驗前后焊點形貌均無變化，試驗結果與理論分析一致。

圖9 試驗前后焊點X光對照圖 （改進后）（左側為試驗后）

圖10 試驗前后焊點X光對照圖 （改進后）（左側為試驗后）

圖11 試驗前后焊點X光對照圖 （改進后）（左側為試驗后）

根據(jù)上述分析及試驗結果，該廠將改進后的器件應用到了機載設備上，應用后未發(fā)生同類質量問題，也未引入新的質量問題，降低了產品故障率，得到了顧客的認可。

3 結束語

本文對某型機載設備報故的現(xiàn)象進行了分析，找到了故障的原因，對故障進行了復現(xiàn)，提出了改進措施，并對改進措施的有效性進行了試驗驗證。同時，通過分析發(fā)現(xiàn)，對于大尺寸LCCC封裝器件而言，由于材料之間的CTE匹配問題，在使用中會發(fā)生焊點可靠性逐漸降低的問題，對此可根據(jù)產品的特點采取使用陶瓷轉接板或改進器件封裝的方式進行解決。