本應(yīng)用筆記旨在就引腳架構(gòu)芯片級封裝(LFCSP)的使用提供一些設(shè)計和制造指導(dǎo)。LFCSP符合JEDEC MO220和MO229外形要求。

描述

LFCSP與芯片級封裝(CSP)類似，即采用銅引腳架構(gòu)基板的無鉛塑封線焊封裝。

外圍輸入/輸出焊盤位于封裝的外沿。與印刷電路板(PCB)的電氣接觸是通過將外圍焊盤和封裝底面上的裸露焊盤焊接到PCB上實現(xiàn)的。將裸露散熱焊盤（見圖1）焊接到PCB，從而有效傳導(dǎo)封裝熱量。穩(wěn)定的電接地連接則通過打地線和導(dǎo)電性粘片材料實現(xiàn)。線焊是通過金線實現(xiàn)的（見圖2）。外圍焊盤和散熱焊盤表面采用Sn/Pb焊錫或100% Sn進行電鍍。封裝提供卷帶和卷盤兩種形式。

圖 1.LFCSP等比截面圖

圖 2.LFCSP的橫截面

LFCSP適用于手持式移動應(yīng)用或注重重量和尺寸的任何應(yīng)用。與相應(yīng)的有鉛封裝相比，LFCSP支持更高密度的PCB應(yīng)用。

LFCSP的詳細封裝外形如圖3所示。

圖 3.LFCSP的外形圖(JEDEC MO-220)

ADI封裝是在最后裝配階段采用模制引線條沖壓或鋸制而成的。引腳架構(gòu)的半蝕法技術(shù)為外圍焊盤和芯片散熱焊盤提供了塑封鎖定特性（見圖4）。目前，這種封裝額定濕度敏感度(MSL)為3級（有關(guān)MSL等級，請參閱JEDEC J-STD-20）。

圖 4.引腳架構(gòu)鎖定特性

相對于標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝的優(yōu)勢

與標(biāo)準(zhǔn)塑封相比，LFCSP技術(shù)具有多種重要優(yōu)勢：

芯片尺寸更接近封裝尺寸，減少了板安裝空間。

消除了鉛料，縮短了從芯片到PCB的電通路長度，從而提高了電氣特性。

裸露焊盤焊接至PCB，降低了熱阻。

引腳架構(gòu)工藝采用行之有效的現(xiàn)有引腳架構(gòu)封裝技術(shù)。

可使用標(biāo)準(zhǔn)的SMT裝配設(shè)備；無需底部充膠。

低質(zhì)封裝在焊錫固化期間具有自動對齊特性，有利于提高裝配成品率。

電路板設(shè)計考慮

為了獲得較佳性能，在設(shè)計母板和安裝封裝時需要考慮一些特殊因素。為了改善散熱、電氣和板級性能，需將封裝底部的裸露焊盤焊接到PCB上相應(yīng)的散熱焊盤上。為進一步改善散熱性能，PCB焊盤區(qū)設(shè)計了散熱通孔。

有多種因素可能嚴(yán)重影響LFCSP封裝在電路板上的安裝和焊點的質(zhì)量，其中包括電路板用料、電路板厚度、PCB外圍焊盤設(shè)計、散熱焊盤和通孔設(shè)計、模板設(shè)計、焊膏以及焊溫曲線。

電路板用料

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂玻璃基板(FR-4)可兼容LFCSP裝配工藝。使用熱膨脹系數(shù)(CTE)較低的基板有利于提高可靠性。PCB的熱膨脹系數(shù)也可能受以下因素影響：金屬層的層數(shù)、層壓材料、走線密度、工作環(huán)境、現(xiàn)場器件密度、PCB反面安裝等。

焊盤圖形設(shè)計指南

LFCSP的PCB焊盤圖形基于板裝配廠商編制的指南而設(shè)計，或者依據(jù)IPC-SM-782等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。然而，鑒于裸露散熱焊盤和封裝底側(cè)的外圍焊盤，還需對IPC方法進行一些限制。ADI應(yīng)用筆記列出的焊盤圖形僅供參考，務(wù)必同時考慮外圍焊盤和封裝容差。

PCB焊盤圖形

LFCSP的PCB焊盤圖形如圖5定義。容差分析需考慮以下因素：

元件容差

PCB容差

元件裝配所用設(shè)備的精度

對于元件容差，封裝外形圖中通常提供的輪廓容差將轉(zhuǎn)換成基于最大實體狀態(tài)(MMC)和最小實體狀態(tài)(LMC)的容差。板容差定義了各個圖形尺寸MMC與LMC之間的差值。此處假定PCB容差為0.05 mm，設(shè)備安裝容差同樣為0.05 mm。

圖 5.焊盤圖形或PCB尺寸

圖 6.

JT min	最小趾部焊角	0.1 mm
JH min	最小跟部焊角	0.05 mm
JS min	最小側(cè)面焊角	0.0 mm

表I所定義的焊點最小焊角值用于計算焊盤圖形尺寸。選擇值時需認識到，引腳的兩側(cè)和一端均嵌入塑封材料中，這些側(cè)面上無法形成焊角。在封裝的第四個側(cè)面上，整個銅(Cu)引腳厚度是裸露的。該引腳厚度特意設(shè)計為裸銅，因為引腳是在電鍍后切割的。引腳上的切割是從封裝底部到頂部進行的，因此裸銅底截面上覆蓋了焊錫。一般認為，趾部焊角的成型取決于所用焊膏類型以及封裝暴露于環(huán)境條件的持續(xù)時間，但這一點并不能保證。IPC/EIA J-STD-001不要求在裸銅引腳邊沿形成趾部焊角來實現(xiàn)純底部端接。

趾部、跟部和側(cè)面焊角是形成可靠焊點的必要因素。趾部焊角會提高焊點可靠性，因此應(yīng)設(shè)法形成趾部焊角。

焊盤圖形設(shè)計計算

欲獲取焊盤圖形設(shè)計的指導(dǎo)尺寸，請訪問：http://www.analog.com/Analog_Root/Packages/Packages_Home/

焊盤圖形尺寸首先通過以下公式確定：

注意：DMIN為封裝外形最小值。

間距	0.5 mm	0.65 mm	0.8 mm
XMAX mm	0.28 mm	0.37 mm	0.42 mm

如表II所示，XMAX 的設(shè)定值小于bMAX，后者為0.5 mm間距下的最大封裝引腳寬度，這樣做的目的是防止發(fā)生焊錫橋接。

TT	TS
0.31 mm	0.00 mm

如表III所示，TT和TS為趾部和側(cè)面容差的均方根值，考慮了元件、板和安裝容差。有關(guān)這些值的計算方式，詳見IPC-SM-782。

GDMIN的計算未考慮封裝相鄰側(cè)面的引腳。為了防止各個角的兩個垂直引腳發(fā)生焊錫橋接，需要采用最小間隙CLL。假定該間隙值≥ 0.1 mm，則可通過以下約束條件求出GDMIN的值：

其中：

焊盤長度計算公式為：

為確保設(shè)計的穩(wěn)定性，并盡量減少板裝配過程中發(fā)生焊錫橋接的可能性，金屬間間隙必須不低于0.2 mm。為此，我們對焊盤圖形進行了最后調(diào)整：以最大金屬尺寸對封裝外形進行堆焊，并對焊盤圖形進行調(diào)整，以維持0.2 mm的最小金屬間間隙。

散熱焊盤設(shè)計

LFCSP設(shè)計了一個裸露的散熱焊盤，用于將熱量從封裝傳導(dǎo)至PCB。借助PCB散熱焊盤上的散熱通孔，可以使熱量更加有效地傳導(dǎo)到PCB各金屬內(nèi)層。

PCB散熱焊盤的尺寸根據(jù)封裝焊盤大小進行調(diào)整，以避免焊盤與外圍焊盤之間發(fā)生焊錫橋接，具體方法是在散熱焊盤外沿與外圍焊盤內(nèi)沿之間定義一個最小間隙，即CPL。該最小間隙固定為0.25 mm，通過以下關(guān)系式算出散熱焊盤的最大尺寸：

設(shè)計中散熱通孔的數(shù)量取決于具體應(yīng)用的功耗和電氣要求。存在一個“效益遞減”點，達到此點后，增加散熱通孔可能不會顯著改善封裝的散熱性能。圖7顯示了7 mm × 7 mm、48引腳封裝中散熱通孔數(shù)量對θJA的影響。本例所用通孔直徑為0.3 mm。通孔間距越小，同一散熱焊盤尺寸上可設(shè)計的通孔越多，但性能提升幅度會隨之下降。

圖 7.散熱通孔數(shù)量對封裝散熱性能的影響

建議使用直徑為0.3 mm至0.33 mm的通孔，以將間距設(shè)定在1.0 mm和1.2 mm之間。圖8展示了7 mm x 7 mm 48引腳LFCSP的典型陣列。

圖 8.PCB散熱焊盤和通孔

圖9為一個6 mm x 6 mm LFCSP封裝，其中，多個小空洞最多覆蓋焊盤區(qū)50%，但散熱性能θJA 僅受輕微影響。注意：小空洞不影響焊點的可靠性；應(yīng)避免熱焊盤區(qū)出現(xiàn)大空洞，因為此類空洞會影響電氣和機械性能。

圖 9.空洞對散熱性能的影響

阻焊層設(shè)計

對于表貼封裝，PCB上采用兩類焊盤圖形：阻焊層限定焊盤(SMD)和非阻焊膜限定焊盤(NSMD)。

由于銅蝕刻工藝比阻焊工藝有著更加嚴(yán)格的控制，因此NSMD比SMD更常用。NSMD焊盤上的阻焊開窗比銅焊盤大，使焊錫可以依附于銅焊盤四周，從而提高焊點的可靠性。這兩種焊盤圖形之間的差異如圖10所示。

圖 10.NSMD和SMD焊盤/焊盤圖形的橫截面

建議阻焊開窗比銅焊盤尺寸大120微米至150微米，以實現(xiàn)通常在50微米至65微米之間的阻焊圖形對位精度。阻焊網(wǎng)的寬度不得小于75微米，以依附于PCB表面。對于間距為0.5 mm及以上的器件，通過這種限制，各焊盤可實現(xiàn)獨立阻焊。然而，對于PCB焊盤寬度為0.25 mm、間距為0.4 mm的器件，焊盤間沒有充足的空間來容納阻焊網(wǎng)。建議使用槽式阻焊開窗，即在封裝各側(cè)的所有焊盤周圍設(shè)計一個大的開窗，在焊盤之間不采用阻焊層，如圖11所示。最好對阻焊層的內(nèi)沿進行圓化處理，尤其是拐角引腳，以在拐角區(qū)域留出足夠的阻焊網(wǎng)空間。

圖 11.阻焊膜：(A) 用于0.5 mm及更大間距器件的外圍焊盤，(B) 用于0.4 mm間距器件

當(dāng)散熱焊盤尺寸接近理論上限時，建議對散熱焊盤區(qū)采用阻焊層限定模式，以避免散熱焊盤與外圍焊盤之間發(fā)生焊錫橋接。在所有四個側(cè)面上，阻焊開窗均應(yīng)比散熱焊盤尺寸小100微米。

裝配考慮

由于外圍焊盤表面積較小，所以在裝配LFCSP時應(yīng)加以注意，以確保形成可靠的焊點。如果封裝下方的散熱焊盤較大，并且接近外圍焊盤的內(nèi)沿，裝配時就更應(yīng)慎之又慎。盡管前文建議的外圍焊盤圖形設(shè)計可能有助于消除部分表面貼裝問題，但在模板設(shè)計中以及為外圍焊盤和散熱焊盤印刷焊膏時應(yīng)格外小心。由于表貼裝配工藝因公司而異，建議在開發(fā)工藝和進行特性測試時倍加謹慎。

外圍焊盤的模板設(shè)計

對于外圍焊盤，性能可靠的較佳焊點應(yīng)具有約50至75 μm的離板高度，且外圍應(yīng)有良好的側(cè)面焊角。實現(xiàn)良好離板高度的第一步是為外圍焊盤設(shè)計好焊膏模板。模板孔開窗的設(shè)計應(yīng)有利于充分釋放焊膏。為此可考慮以下兩個比率：

面積比 = 孔開窗面積/孔壁面積 深寬比 = 孔寬度/模板厚度 對于LFSCP封裝所要求的矩形孔開窗，以上兩個比率的計算公式為 面積比 = LW/2T (L + W) 深寬比 = W/T

其中：

L和W分別為孔長和孔寬，T為模板厚度。為了取得較佳焊膏釋放效果，面積比和深寬比應(yīng)分別大于0.66和1.5。建議將模板孔與PCB焊盤尺寸之比設(shè)為1:1，因為在這一孔徑下，可輕松實現(xiàn)面積比和深寬比目標(biāo)。模板應(yīng)經(jīng)過激光切割和電解拋光。電解拋光有助于平整模板壁，并提高焊膏釋放效果。同時建議對模板孔徑容差嚴(yán)加控制，特別是間距為0.4 mm和0.5 mm的器件，因為這類容差可大大減小孔徑尺寸。

散熱焊盤的模板設(shè)計

為有效地消除封裝的熱量和增強電氣性能，散熱焊盤需焊接至PCB散熱焊盤上，并應(yīng)盡量減少空洞。然而，由于存在散熱通孔，并且封裝尺寸越大，散熱焊盤尺寸也越大，因此可能無法消除空洞。另外，如果焊膏覆蓋面太大，回流焊接過程中的排氣可能導(dǎo)致瑕疵（濺錫、錫珠）。建議在模板中采用多個小開窗而非單個大開窗，以便將焊膏印制到散熱焊盤區(qū)，這樣一般會使焊膏覆蓋面達50%至80%。圖12展示了實現(xiàn)這一覆蓋率的方法。

圖 12.7 mm x 7 mm LFCSP 封裝的散熱焊盤模板設(shè)計

裸露焊盤下方焊點中的空洞可能對高速、RF應(yīng)用以及散熱性能造成不利影響。由于LFCSP封裝采用了較大的中心焊盤，因此要控制該區(qū)域的焊錫空洞存在一定困難。該接地層中的空洞可能增加電路中電流路徑的長度。空洞的最大尺寸不得超過接地層中通孔間距。這樣可以確保即使有空洞使電流路徑的長度超過與下一可用通孔的距離，也不會使任何通孔失去效用。

應(yīng)避免散熱焊盤區(qū)中出現(xiàn)較大空洞。為了控制散熱焊盤區(qū)的空洞，可能需要對散熱通孔進行阻焊處理，以防止通孔在回流過程中出現(xiàn)滲錫，從而使焊錫脫離封裝散熱焊盤與PCB散熱焊盤之間的接口。有多種方法可實現(xiàn)這一目的，比如用干膜阻焊膜從頂部或底部阻焊；或者使用液態(tài)感光(LPI)阻焊膜從底部填充；或者采用“貫通孔”。這些方法如圖13所示。在頂部或底部阻焊中，阻焊膜直徑應(yīng)比通孔直徑大100微米。

圖 13.散熱通孔的阻焊方法 (a) 頂部阻焊；(b) 底部阻焊； (c) 底部填充；(d) 貫通孔

間距為0.4 mm和0.5 mm的器件建議采用0.125mm厚度的模板。對于間距較粗的器件，模板厚度可以提高到0.15 mm至0.2 mm。建議采用帶電解拋光梯形墻的激光切割不銹鋼模板，以改善焊膏釋放性能。由于回流后器件下方?jīng)]有充足的空間，因而建議在安裝LFCSP時采用“免清潔”3類焊膏。同時建議在回流中采用惰性氣氛。

裝配流程順序

圖14顯示了將表面安裝包安裝到PCB的典型工藝流程。

圖 14.典型的PCB安裝流程

必須考慮印刷后和回流后檢測程序，這一點十分重要。印刷的焊膏量應(yīng)通過2D或3D技術(shù)進行測量。焊膏量須為模板孔徑體積的80%至90%左右，才能表明焊膏釋放良好。回流后，應(yīng)檢測安裝好的封裝是否存在空洞、錫珠或缺陷。可能同時需要進行橫截面測量，以確定焊角形狀、尺寸和焊點離板高度。

焊點離板高度與焊角形成

焊點離板高度直接取決于散熱焊盤上的焊膏覆蓋率以及底部有裸露散熱焊盤的LFCSP封裝所用的通孔類型。有關(guān)板安裝的研究表明，可通過增加焊膏覆蓋面積，以及在散熱焊盤區(qū)采用通孔填充方式，來增加封裝的離板高度，如表IV所示。

	48 I/O		68 I/O
焊膏覆蓋率	37%	67%	50%	81%
填充通孔	35	64	67	76
貫通孔	16	35	32	48

離板高度因浸潤或流入電鍍通孔(PTH)的焊錫量而異。貫通孔為焊錫流入PTH提供了一個便利的通道，同時還可降低封裝的離板高度，而填充通孔則因通孔管端閉合，會阻止焊錫流入通孔。此外，在貫通孔設(shè)計中，通孔數(shù)量及其最終形成的孔尺寸也會影響離板高度。影響離板高度的其他因素有焊膏類型、反應(yīng)性、PCB厚度、表面處理和回流溫度曲線等。

為了獲得厚度為50微米的焊點以有助于提高板級可靠性，建議使填充通孔的焊膏覆蓋率至少達到50%，使貫通孔的焊膏覆蓋率至少達到75%。

外圍焊點焊角的形成受多種因素影響。需注意的是，只有引腳的底面（而非引腳的兩端）用焊錫電鍍。如果封裝存儲于非受控環(huán)境中，引腳側(cè)面的裸銅可能會氧化。根據(jù)所用焊膏（助焊劑）和氧化程度，有可能形成焊角。

焊角的形成同樣取決于PCB焊盤尺寸、印刷焊錫量和封裝離板高度。由于僅存在少量焊錫，散熱焊盤上的離板高度受焊膏覆蓋率控制，較高的離板高度留下的焊錫可能不足以形成焊角。相反，如果離板高度過低，則可能形成凸形焊角。由于對離板高度影響最大的因素是中心焊盤覆蓋率和通孔類型，因此形成較佳焊角所需焊錫量因情況而異。封裝離板高度和PCB焊盤尺寸兩個因素即可確定所需焊錫量。

焊膏回流

回流溫度曲線和峰值溫度對空洞形成具有較大影響。

根據(jù)濕度敏感度等級，回流溫度不得超過封裝的最大額定溫度。超過液化溫度的時間應(yīng)為60秒左右，預(yù)熱過程中的斜坡率不得超過3℃/秒。圖15所示為基于JEDEC J-STD-20C的典型無鉛溫度曲線。

圖 15.無鉛回流溫度曲線

X光檢測

對安裝在PCB上的LFCSP元件進行檢測時，可在z平面使用X光傳輸設(shè)備，以檢測橋接、短路、開路和焊錫空洞。

目視檢查

由于焊點完全位于LFCSP封裝的下方，因此無法從上方（z平面）對焊點進行目視檢查。操作員可利用目視檢查設(shè)備來檢測元件與PCB焊盤的位移、焊錫橋接或其他與工藝有關(guān)的缺陷。

返修

如果元件安裝后出現(xiàn)缺陷，則需要對板總成進行返修處理，拆除并更換缺陷器件。由于多數(shù)焊點無法接觸，因此，若要糾正缺陷，一般需要完全拆除器件并更換。

對于LFCSP封裝，常見應(yīng)用是安裝在較薄的小型高密度PCB上。這些因素，再加上元件本身尺寸較小，可能給返修帶來困難。鑒于產(chǎn)品的復(fù)雜程度各不相同，以下方法只是為制定有效的封裝返修流程提供了出發(fā)點，僅供參考。

返修流程包括以下步驟：

板準(zhǔn)備

拆卸元件

清潔PCB焊盤

涂敷焊膏

元件對齊和貼片

固定元件

檢查

板準(zhǔn)備

強烈建議在返修之前將PCB總成在125℃下烘烤至少四小時，以徹底消除總成中的殘留濕氣。元件不得超過封裝標(biāo)簽上規(guī)定的條件。

拆卸元件

為便于從PCB上拆卸元件，用于將元件粘附到板上的焊點必須進行回流處理。拆卸元件所用的回流溫度曲線最好與粘附元件所用的相同。但是，回流一完成，即可減少超過液化溫度的時間。拆除的元件不得再次使用。

圖16所示為一種典型的元件拆卸方案。回流過程中，建議用對流加熱器從底面對PCB進行局部加熱。將熱氣導(dǎo)入到元件頂部，即可實現(xiàn)焊錫回流。焊點回流過程中，一個工作于氣流范圍內(nèi)的真空杯吸附于元件頂部。焊點回流后，在從回流到冷卻的轉(zhuǎn)換過程中，就會應(yīng)自動實現(xiàn)真空剝離。鑒于元件尺寸較小，真空壓力應(yīng)保持低于0.5 kg/cm2。這樣可以避免在全部焊點回流之前剝離元件，并可防止焊盤剝離。

圖 16.焊錫回流并在固化前拆下LFCSP

清潔PCB焊盤

拆下元件后，需對返修區(qū)域進行適當(dāng)清理，以便接收替換器件。

返修區(qū)域清潔工作分為兩步：

去錫—可結(jié)合吸錫線和刀片型烙鐵來實現(xiàn)去錫，如圖17所示。刀片的寬度應(yīng)與元件體積的最大寬度相匹配，刀片溫度應(yīng)足夠低，以避免損壞電路板。

清潔—返修區(qū)域應(yīng)使用無絨布和清洗劑進行清潔。清洗劑一般取決于原始總成所用的焊膏類型。

圖 17.PCB焊盤去錫

涂敷焊膏

LFCSP元件的焊盤幾何尺寸增加了在回流時使焊接線厚度保持均勻的難度。應(yīng)考慮印刷模板的多個關(guān)鍵特性。模板對齊精度和恒定的焊錫轉(zhuǎn)印量是使回流焊錫處理保持均勻的關(guān)鍵。模板厚度以及蝕刻圖形幾何尺寸決定了沉積下來的確切焊膏量。模板一般采用黃銅或不銹鋼制成，后者耐用性更強。建議在LFCSP元件中采用125微米厚的模板。

模板孔徑應(yīng)呈梯形，如圖18所示，以確保焊膏均勻釋放并減少污點，因此，A邊大于B邊。由于現(xiàn)代PCB外形緊湊、密度極高，因此，要將焊膏準(zhǔn)確均勻地絲印到已布滿元件的板上非常困難。因而，建議將焊膏直接涂敷在元件底座上。

圖 18.模板孔徑幾何圖形

如圖19和圖20所示，元件：

置入具體封裝專用模板和夾具中。

夾裝到位。

焊錫涂敷使用的是帶金屬刮刀片的125微米厚的模板，其孔徑大小和形狀與封裝焊盤相同。

注意：LFCSP的離板高度較小，并無多大的清潔空間。因此，必須使用3類（25至45粒徑范圍）免清潔焊膏。

圖 19.LFCSP夾入模板/夾具

圖 20.通過模板將焊膏涂敷到LFCSP底面

元件對齊和貼片

封裝中元件的安裝精度視具體設(shè)備或流程而定。LFCSP封裝因質(zhì)量較小，一般具有自動居中對齊功能。在回流過程中，因液體焊錫表面張力的作用，對齊略差的元件（偏離焊盤中心不到50%）會自動對齊。然而，若封裝偏離嚴(yán)重（偏離焊盤中心超過50%），則回流過程中可能會因焊錫橋接導(dǎo)致短路。

將焊膏直接絲印到元件上后，解開模板夾，同時將封裝和模板置于返修機貼片臺上，并正確定向，使真空杯可暢通無阻地依附至器件頂面，如圖21所示。然后可以用真空杯將元件從模板上取下，而不影響焊膏，如圖22所示。

圖 21.模板/夾具放于返修機“貼片”機臺上

圖 22.用真空杯將LFCSP從模板下取下而不影響焊膏

由于LFCSP上的引腳位于封裝底部，因此須用分裂光束光學(xué)系統(tǒng)來將元件與母板上的焊盤陣列對齊（如圖23所示）。

圖 23.LFCSP圖像疊加于焊盤圖形之上以方便對齊

這類成像系統(tǒng)將為支持疊加的引腳提供圖像，然后通過微調(diào)疊加到PCB上的對接面上，從而使元件與焊盤陣列對齊。對齊時應(yīng)放大50至100倍。貼片機必須具有在x軸、y軸和旋轉(zhuǎn)軸上進行微調(diào)的能力。

固定元件

應(yīng)利用最初固定或拆卸過程中形成的回流溫度曲線來固定新元件，因為所有回流溫度曲線參數(shù)均已得到優(yōu)化。

散熱性能

材料特性是溫度的函數(shù)，會影響產(chǎn)品工作時的可靠性。散熱管理在控制由絕對溫度驅(qū)動的故障機制方面發(fā)揮著重要作用。

內(nèi)阻指元件級電阻，存在于接合部或會產(chǎn)生熱量的任何其他電路元件與元件外表面之間。外阻指封裝級電阻，外部熱阻指阻止熱量從外殼表面流向基準(zhǔn)點的電阻。

7 mm × 7 mm LFCSP的θJA計算方法

封裝的散熱性能通過ANSYS進行計算。此處的計算基于一個7 mm x 7 mm、44引腳LFCSP，內(nèi)含一個3.81平方毫米的芯片。計算模型假定，封裝固定在一個1S2P（1個信號層、2個平面）JEDEC熱測試板上，依據(jù)JESD51-5標(biāo)準(zhǔn)制成，以支持帶直接熱吸附機制的封裝，其金屬化面積為76平方毫米。其假定環(huán)境為：封裝和測試板處于水平方向，然后在0.5 W至2.5 W的功率范圍內(nèi)以及0、1.0和2.5 m/s的氣流速度下計算θJA。

θJA結(jié)果如圖24所示。在自然對流下，θJA對功率存在弱相關(guān)性。當(dāng)氣流速度超過1 m/s，此種相關(guān)性可忽略不計。分析結(jié)果表明，來自封裝的熱量大多通過散熱通孔和熔融引腳流入了板中。熱導(dǎo)性較高的金屬充當(dāng)封裝的主要散熱路徑。當(dāng)功率為1 W時，在自然對流條件下，芯片溫度約比環(huán)境溫度高25℃。

圖 24.θJA和氣流速度曲線圖

建模方法

封裝的散熱性能通過一種商用有限元方法軟件工具(ANSYS)進行計算。封裝的引腳架構(gòu)圖形通過導(dǎo)入的AUTOCAD圖生成。

封裝和板的其余特性則通過ANSYS參數(shù)腳本生成。

模型中應(yīng)用幾何近似法的唯一地方是：板中的通孔均表示為實心圓柱。此處使用了降額的熱導(dǎo)率來表示通孔材料，以糾正這一改動。此類近似表示不會影響模型的精度。鑒于封裝設(shè)計的對稱性，此處分析的是封裝和測試板的八分之一模型。

電氣特性

對電氣設(shè)計而言，重要的是為信號和功率分布提供合適的路徑。在此針對LFCSP算出了集總元件的電氣參數(shù)。利用Maxwell Q3D Extractor工具進行仿真，提取了集總元件的部分自感和互感、大電容和互電容、部分自電阻和SPICE模型。在高頻下，針對所有引腳和焊線分別算出部分自感和互感中的結(jié)果。自電阻計算頻率為100 MHz。封裝引腳采用對稱布局，如圖25所示，為此，我們對四分之一封裝進行建模，以此代表整個封裝的特性。分析中將導(dǎo)體視為理想導(dǎo)體。多數(shù)引腳架構(gòu)至少厚150微米，由于銅在100 MHz下的集膚深度僅為數(shù)微米，因此使用理想導(dǎo)體是合理的。

圖 25.封裝模型頂視圖

將封裝安裝于一塊15密耳厚的FR-4板上。利用標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC4分段焊線模型為每個引腳定義了典型焊線。塑封材料的介電常數(shù)作為頻率常數(shù)，且未使用損耗項。

引腳	L11	L12	C11	C12
拐角	1.974	0.68	0.3300	0.1027
中央	1.708	0.592	0.2907	0.0823
接地層與底層處于相同水平
封裝
引腳數(shù)		48
尺寸(l × w × t)		7.0 × 7.0 × 1.4 mm3
引腳架構(gòu)
材料		EFTEC 64T
引腳厚度		127 μm
焊盤尺寸		5 × 5 mm2
芯片
尺寸(l × w × t)		4.25 × 4.25 × 0.37 mm3
線材		金
金傳導(dǎo)率		4.1 × 107 S/m
線直徑		30 μm
線環(huán)高度		203 μm
長度		1.46 mm（拐角） 1.30 mm（中央）

分析結(jié)果如表V和表VI所示，前者表示48引腳LQFP 7 mm × 7 mm × 1.4 mm，后者表示48引腳LFCSP 7 mm × 7 mm × 0.9 mm。

其中：

L11：自感(nH)

L12：互感(nH)至第一相鄰引腳

C11：大電容(pF)

C12：互電容(pF)至第一相鄰引腳

引腳	L11	L12	C11	C12
拐角	1.135	0.211	0.280	0.048
中央	0.909	0.143	0.268	0.043
接地層與底層處于相同水平
引腳	L11	L12	C11	C12
拐角	1.149	0.213	0.263	0.063
中央	0.920	0.149	0.239	0.056
接地層比底層低15 mms
封裝
引腳數(shù)		48
尺寸(l × w × t)		7.0 × 7.0 × 0.9 mm3
引腳架構(gòu)
材料		C7025
引腳厚度		127 μm
焊盤尺寸		4.75 × 4.75 mms
芯片
尺寸(l × w × t)		4.5 × 4.5 × 0.30 mm3
線材		金
金傳導(dǎo)率		4.1 × 107 S/m
線直徑		30 μm
線環(huán)高度		203 μm
長度		1.35 mm（拐角） 1.18 mm（中央）

表VII中結(jié)果為8引腳LFCSP 3 mm × 2 mm × 0.85，表VIII中的結(jié)果為8引腳TSSOP 3 mm × 3 mm × 0.9 mm。

引腳	L11	L12	C11	C12
拐角	0.487	0.056	0.168	0.040
中央	0.418	0.039	0.183	0.035
封裝
引腳數(shù)		8
尺寸(l × w × t)		3.0 × 2.0 × 0.85 mm3
引腳架構(gòu)
材料		C-194
引腳厚度		203.2 μm
焊盤尺寸		1.94 × 0.65 mm2
芯片
尺寸(l × w × t)		1.175 × 0.665 × 0.25 mm3
線材		金
金傳導(dǎo)率		4.1 × 107 S/m
線直徑		25 μm
線環(huán)高度		203 μm
長度		1.00 mm（拐角） 0.93 mm（中央）

引腳	L11	L12	C11	C12
最大值	1.486	0.372	0.230	0.058
最小值	1.275	0.329	0.242	0.052
封裝
引腳數(shù)		8
尺寸(l × w × t)		3.0 × 3.0 × 0.9 mm3
引腳架構(gòu)
材料		C7025
引腳厚度		127 μm
焊盤尺寸		2.4 ×1.7 mm2
芯片
尺寸(l × w × t)		1.6 ×1.0 ×0.25 mm3
線材		金
金傳導(dǎo)率		4.1 × 107 S/m
線直徑		25 μm
線環(huán)高度		180 μm
長度		1.23 mm（拐角） 1.03 mm（中央）

焊點可靠性

對LFCSP設(shè)計及其各種應(yīng)用而言，可靠性是一個重要參數(shù)。LFCSP中的I/O焊盤不如有鉛封裝符合標(biāo)準(zhǔn)，其二級可靠性退化更快，但足以應(yīng)對本節(jié)所列應(yīng)用條件。所用的溫度周期性變化條件為15/15/15/15分鐘斜升/保持。

可靠性測試

焊點的主要故障機制為熱循環(huán)造成的疲勞。當(dāng)工作中的焊點反復(fù)暴露于溫度變化之下時，就會發(fā)生這一機制。當(dāng)焊錫經(jīng)歷溫度上升（如負載變化）時，首先會發(fā)生塑性變形（蠕變）。這種蠕變會導(dǎo)致焊錫內(nèi)部應(yīng)力增加，如果負載超過焊錫的屈服強度，焊錫就會達到塑性屈服點（斷裂）。如果負載（或溫度）保持穩(wěn)定，就會出現(xiàn)應(yīng)力松弛，焊錫內(nèi)部的應(yīng)力都會完全釋放。如果此時移除負載并保持穩(wěn)定，焊錫上會產(chǎn)生類似應(yīng)力，直到出現(xiàn)應(yīng)力松弛。負載增減給焊錫帶來的應(yīng)力會導(dǎo)致疲勞損傷，其結(jié)果無法修復(fù)，隨著焊點反復(fù)暴露于負載周期性變化之下，損傷會產(chǎn)生累積效應(yīng)。

7 mm × 7 mm LFCSP中sn63/Pb37和sn95.5/ag4.0Cu0.5焊點的可靠性

PCB布局/焊盤尺寸是以IPC-SM-782的要求為基礎(chǔ)的。具有SnPb和無鉛引腳表面處理的器件以菊花鏈模式裝配，以便在溫度周期性變化過程中持續(xù)測量焊點電阻。最合適的溫度周期性變化條件為：

斜升慢，即溫度變化慢，以便發(fā)生焊錫蠕變

保持時間長，以便發(fā)生應(yīng)力松弛

疲勞損壞導(dǎo)致電路焊點斷開，結(jié)果造成故障。消費電子、計算機和電信應(yīng)用的測試條件如表IX所示。

應(yīng)用	典型工作 溫度	周期/年	典型服務(wù)年限	Delta溫度	最大溫度
消費電子	+20°C/+55°C	365	1–3年	35°C	55°C
計算機	+25°C/+45°C	1460	5年	20°C	45°C
電信	+10°C/+45°C	365	7–20年	35°C	45°C

大于300 ohm的電阻歸入OPEN。對結(jié)果進行威布爾分布分析，并確定了典型的威布爾特性。利用修正后的Coffin Manson等式（Norris Landzberg模型），與典型使用條件進行了比較。如表IX所示，關(guān)于各種焊錫類型的結(jié)果表明，封裝達到并超過了錫/鉛和無鉛焊錫應(yīng)用中的多種使用類別的要求。

焊錫類型	引腳材料	首次故障前周期	典型壽命 （單位：年）
	消費電子
Sn63/Pb37	Sn	18756	51
Sn63/Pb37	SnPb	28530	78
Sn95.5/Ag4.0Cu0.5	Sn	16680	46
Sn95.5/Ag4.0Cu0.5	SnPb	27919	76
	計算機
Sn63/Pb37	Sn	98384	67
Sn63/Pb37	SnPb	149652	103
Sn95.5/Ag4.0Cu0.5	Sn	87494	60
Sn95.5/Ag4.0Cu0.5	SnPb	146450	100
	電信
Sn63/Pb37	Sn	21502	59
Sn63/Pb37	SnPb	32706	90
Sn95.5/Ag4.0Cu0.5	Sn	19122	52
Sn95.5/Ag4.0Cu0.5	SnPb	32006	88

圖26和表XI分別總結(jié)了焊點可靠性和威布爾特性。

圖 26.威布爾特性

參數(shù)	描述	加速測試結(jié)果
β	斜率	9.6031
ρ	相關(guān)系數(shù)	0.9828
η	特征壽命 (63.2%)	1697個周期
T0.1%	達0.1%累積故障的時間	827個周期
T50.0%	達50%累積故障的時間	1634個周期

審核編輯：郭婷