楊小健 明立文 沈 麗

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印制板組件上大型QFP器件灌封工藝研究

楊小健 明立文 沈 麗

（北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100854）

介紹了印制板組件上大型QFP器件的灌封工藝技術(shù)。針對(duì)灌封要求，選用了合適的灌封材料。通過開展優(yōu)化試驗(yàn)選擇了最佳的灌封工藝參數(shù)，通過改進(jìn)原灌封工藝方法解決了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)難題，最終確定了合理的灌封工藝流程。根據(jù)灌封樣品的試驗(yàn)結(jié)果，該灌封工藝技術(shù)滿足印制板組件的設(shè)計(jì)要求。

印制板組件；大型QFP器件；灌封工藝

1 引言

在目前常用的電子封裝器件中，四邊扁平封裝（quad flat packaging，QFP）器件因其具有寄生參數(shù)小、適合高頻率使用、操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品中重要的表面組裝元器件[1]，其引腳間距有0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.3mm。在印制板組件上貼裝、焊接QFP封裝器件，其焊點(diǎn)和引腳承擔(dān)著傳遞電信號(hào)、提供散熱途徑、結(jié)構(gòu)保護(hù)與支撐等作用。然而對(duì)于大型28mm×28mm的QFP封裝器件，由于其重量大、引腳纖細(xì)柔軟，在隨機(jī)振動(dòng)載荷的應(yīng)力場(chǎng)條件下，引腳極易發(fā)生變形、斷裂，因此往往需要對(duì)大尺寸QFP封裝器件進(jìn)行局部灌封加固處理, 以此提高器件抗沖擊振動(dòng)、抗惡劣環(huán)境的能力。

2 大型QFP器件故障模式

圖1 大型QFP器件引腳斷裂

某產(chǎn)品在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后出現(xiàn)故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品內(nèi)部印制板組件上的大型QFP器件部分引腳斷裂，如圖1所示。經(jīng)分析，印制板組件上大型QFP器件的布局位置在應(yīng)力集中區(qū)域，在隨機(jī)振動(dòng)載荷條件下，在斷裂處引腳的鍍層與內(nèi)部制材保持完好的界面，屬于引腳材質(zhì)脆性斷裂。以208個(gè)引腳的大型QFP器件（QFP208，其封裝尺寸為28mm×28mm，引腳間距0.5mm）為對(duì)象，開展灌封工藝研究。

3 大型QFP器件灌封工藝

印制板組件上元器件加固方法一般采用機(jī)械加固和灌封膠加固兩種，其作用都是強(qiáng)化印制板組的整體性，降低器件引腳所承受應(yīng)力，提高產(chǎn)品對(duì)外來沖擊、震動(dòng)的抵抗力[2，3]。由于大型QFP器件引腳數(shù)量多，引腳細(xì)間距小、引腳極易發(fā)生變形，機(jī)械加固方式需要的加固空間大，并且容易引起引腳變形，難以實(shí)施。灌封加固工藝更加靈活，且具有良好的絕緣、防震和隔離作用，可以將外界因素的不良影響降低到最低，所以灌封工藝在電子產(chǎn)品的加固，尤其是大型元器件的加固應(yīng)用更加廣泛，起著越來越重要的作用。

3.1 灌封材料

3.1.1 灌封材料的選擇

借鑒以往各類灌封膠使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)三種可能適宜的灌封膠開展了試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見表1，最終選擇效果俱佳的GN-512有機(jī)硅凝膠。

表1 灌封膠選擇試驗(yàn)

GN-512有機(jī)硅凝膠灌封有以下主要特點(diǎn)：耐高低溫性能好，可在-60～180℃范圍內(nèi)長期使用；電性能好，抗電暈性和耐電弧性好；防潮、耐腐蝕、耐老化；彈性好，能吸收震動(dòng)和抗沖擊；固化后收縮率小，全透明，易于觀察和維修。

3.1.2 灌封膠固化機(jī)理

GN-512有機(jī)硅凝膠主要由甲基含氫硅油（M組分）和含有催化劑的甲基乙烯基硅油（N組分）組成。N組分的甲基乙烯基硅油是硅凝膠的主材，分子結(jié)構(gòu)如下：

M組分的甲基含氫硅油是硅凝膠的交聯(lián)劑，分子結(jié)構(gòu)如下：

在催化劑的催化下，氫向乙烯基加成而變成高分子質(zhì)量、透明的彈性體，反應(yīng)如下：

3.1.3 灌封膠參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)固化反應(yīng)機(jī)理，對(duì)配膠質(zhì)量比、固化溫度、固化時(shí)間、抽真空時(shí)間等影響GN-512硅凝膠固化性能的參數(shù)開展正交試驗(yàn)，建立4因素3水平表（表2），利用L9(34)正交表確定試驗(yàn)方案（表3、表4）。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 L9(34)正交表試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 方差分析表

判斷因素影響的主次是根據(jù)方差分析的均方大小，均方大的為主要因素，均方小的是次要因素。因此影響GN-512硅凝膠固化性能的因素主次是：因素A膠的配比是最主要因素，其次是固化時(shí)間和抽真空時(shí)間，而固化溫度影響最小，選擇每個(gè)因素K1、K2、K3、K4中最大的水平，即：A1B3C3D2，A1固化劑（質(zhì)量比1∶1） B3固化溫度（25℃）C3固化時(shí)間（24h）D2抽真空時(shí)間（3min）?？梢钥闯?，在確定質(zhì)量配比和固化時(shí)間之后，固化溫度對(duì)硅凝膠固化性能的影響減弱，由于加熱固化對(duì)印制板組件上各類元器件可靠性會(huì)產(chǎn)生影響，因此選擇室溫條件固化GN-512硅凝膠更切合實(shí)際，操作性強(qiáng)。

對(duì)A1B3C3D2組合進(jìn)行了3次驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終確定GN-512硅凝膠技術(shù)條件：基體∶固化劑=1∶1，固化溫度室溫25℃，固化時(shí)間24h，抽真空時(shí)間3min。

3.2 灌封關(guān)鍵工藝技術(shù)

結(jié)合我單位對(duì)電子器件灌封工藝技術(shù)的研究，探索出了一條行之有效的工藝方法，取得了較好的應(yīng)用效果，確定了大型QFP器件局部灌封工藝流程為灌封準(zhǔn)備→鑄模→配膠→灌封→真空脫泡→凝膠固化→整修。

3.2.1 灌封準(zhǔn)備

QFP器件采用回流焊接后，焊點(diǎn)表面經(jīng)常會(huì)吸附著一層助焊劑，含有機(jī)和無機(jī)的污染物，不清洗會(huì)降低GN-512硅凝膠的粘接強(qiáng)度，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致膠體在粘結(jié)面無法完全固化。因此在QFP回流焊接時(shí)使用免清洗焊料，灌封前采用半水清洗印制板組件清洗。

3.2.2 鑄模

GN-512灌封膠具有優(yōu)越的流動(dòng)性，對(duì)QFP器件局部灌封前必須圈定灌封區(qū)域。傳統(tǒng)方法是利用工裝制作專用樣條，樣條高度滿足灌封覆蓋器件的高度要求，然后按灌封區(qū)域?qū)訔l進(jìn)行手工折彎成形，將樣條先用灌封膠粘固到印制板組件板面上，待樣條粘固固定后再進(jìn)行區(qū)域內(nèi)部的灌封，如圖2所示，這種手工搭建灌封區(qū)域的過程復(fù)雜，并且灌封后外觀質(zhì)量差，一致性差。

圖2 手工搭建灌封區(qū)域的方法

改進(jìn)鑄模圍墻方法，采用點(diǎn)膠機(jī)設(shè)備精確鑄模圍墻，這種方法是利用點(diǎn)膠機(jī)程序控制鑄模圍墻的路徑和高度，自動(dòng)化鑄模，通過設(shè)定程序循環(huán)次數(shù)達(dá)到精確控制鑄模高度，使鑄模膠在鑄模路徑上一層一層地累加高度，循環(huán)一次高度增加一層，直至滿足QFP器件灌封高度要求。選擇不流動(dòng)的塑性膠，其特點(diǎn)是點(diǎn)膠后形狀不會(huì)發(fā)生變化和流動(dòng)變形。鑄模效果如圖3所示，點(diǎn)膠機(jī)精確鑄模示例如圖4所示。

圖3 鑄模效果圖

圖4 點(diǎn)膠機(jī)精確鑄模示例

3.2.3 配膠

將GN-512硅凝膠的A組份和B組份按質(zhì)量比1∶1用天平稱取，放置于干凈的燒杯內(nèi)混合，用玻璃攪棒攪拌均勻，至不應(yīng)存在淺色條紋或斑紋，混合膠液呈灰色。攪拌均勻的膠液置于真空干燥箱內(nèi)在真空表讀數(shù)0.1MPa的條件下抽出氣泡，反復(fù)進(jìn)行，直至無氣泡。

3.2.4 灌封及真空脫泡

由于GN-512硅凝膠具有優(yōu)越的流動(dòng)性，可使用注射器手工灌注，灌封樣件按注膠口位置傾斜放置，然后將配制好的灌封膠沿鑄模圍墻一側(cè)內(nèi)壁緩緩連續(xù)灌注，避免裹進(jìn)氣泡，膠液流速均勻，并且緩慢減小樣件傾斜角度，直至滿足灌封高度。

氣泡的存在除了影響美觀，還嚴(yán)重影響灌封組件的使用可靠性。灌封后將組件置于真空干燥箱內(nèi)在真空表讀數(shù)0.1MPa的條件下抽出氣泡，反復(fù)進(jìn)行“抽-放-再抽”操作2～3次，表面的氣泡可用大頭針挑掉。

4 灌封驗(yàn)證結(jié)果

大型QFP器件采用GN-512硅凝膠灌封后，外形美觀，一致性非常好，灌封區(qū)域全透明狀態(tài)，不影響焊點(diǎn)外觀檢測(cè)，極易適合大批量生產(chǎn)加工，如圖6所示。樣件按表6振動(dòng)試驗(yàn)條件進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，引腳焊點(diǎn)合格，經(jīng)X光判查引腳狀態(tài)良好，無斷裂情況出現(xiàn)，如圖7所示。有效提高印制板組件在復(fù)雜和惡劣環(huán)境下的可靠性，進(jìn)一步保障了電子整機(jī)的質(zhì)量。

圖6 半自動(dòng)灌封效果

表6 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖7 振動(dòng)試驗(yàn)后焊點(diǎn)情況

5 結(jié)束語

在印制板組件上裝焊QFP封裝器件，其焊點(diǎn)和引腳主要承擔(dān)著傳遞電信號(hào)、提供散熱途徑、結(jié)構(gòu)保護(hù)與支撐等作用。然而尺寸較大的QFP封裝器件由于其重量大、引腳纖細(xì)柔軟，在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的應(yīng)力場(chǎng)條件下，引腳極易發(fā)生變形、斷裂。本文采用灌封技術(shù)進(jìn)行印制板組件上大型QFP封裝器件的加固處理，通過實(shí)驗(yàn)選擇了合適的灌封膠和灌封工藝參數(shù)，并采用的灌封工藝操作簡單，外形美觀，產(chǎn)品一致性非常好，極適合大批量生產(chǎn)加工，有效提高印制板組件在復(fù)雜和惡劣環(huán)境下的可靠性，進(jìn)一步保障了電子整機(jī)的質(zhì)量。

1 崔海坡，恩清. 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下QFP封裝的隨機(jī)振動(dòng)分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2015，36(11)：21～24

2 羅剛. 電子器件灌封材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8(3)：20～22

3 馮傳均，王傳偉，戴文峰，等. 高壓模塊的有機(jī)硅凝膠灌封工藝設(shè)計(jì)與改進(jìn)[J]. 電子工藝技術(shù)，2015，36(1)：51～53

Study on Potting Technology of Large-sized QFP Device on Printed Circuit Board Assembly

Yang Xiaojian Ming Liwen Shen Li

(Beijing Institute of Computer Technology and Application,Beijing 100854)

The potting technology of large-sized QFP device is described in details. The silicone gel was selected as potting material according to the characteristics of large-sized QFP device. The potting process parameters were selected by optimization test, the potting method was improved to solve the corresponding key technical problems of the potting process, and the reasonable potting process was determined. The experimental results of potting samples show that the potting technology is able to meet the design requirements for printed circuit board assembly.

printed circuit board assembly；large-sized QFP device；potting technology

楊小?。?986），工程師，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)；研究方向：電氣互聯(lián)工藝技術(shù)。

2017-11-07