吴畏

【摘 要】双通道数字电源是目前机械与设备生产中较常使用的装置，它既能够根据设备需求调控电流的供应参数，同时凭借双通道的优势，也能够使供电稳定性得以增强。此种功能主要与电源内部芯片有关，而封装作为固定芯片最重要的操作步骤，若是在结构应力方面出现问题，则势必会影响芯片安装的质量。所以，为使双通道数字电源质量得以保障，必须对封装结构应力给予重视，确保焊桥设计与结构形式得以优化，才能为后续产品市场的拓展奠定更扎实的基础。

【关键词】双通道数字电源;开关封装;结构应力;优化分析

中图分类号： TN86;F416.63 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0054-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.026

根据某公司调查资料可知，为满足产品市场业务得以持续拓展的需求，并巩固公司在电子器件领域市场竞争地位，目前事业单位结合市场发展环境，对双通道数字电源开关产品的生产提出了更严格的要求，在原有功能性的前提下，也对产品的尺寸、集成度、密度提出了较高的要求，而若是仍旧沿用传统的焊桥平面搭接，则势必会造成产品厚度较高且开关结构不稳定等情况，因此现阶段主要选用了切割型焊桥设计，以便焊接质量得以保障。

1 应力模拟设计

封装是将继承电路装配为芯片的收尾工作，更详细的讲便是将继承电路的裸片放置于某块具备承载功能的基板，而后将管脚引出并固定，以便使双通道数字电源开关成为整体。结合以往资料可知，封装过程主要包含了安放、固定、密封及引线等环节，而芯片安装对精密性要求较高，若是封装结构产生晃动或偏移等情况，则极易对产品的质量造成极为严重的影响，因此在应力模拟设计过程中，管理者便需结合参数与以往的设计经验，对现有封装技术进行研究与分析，才能使双通道数字电源开关封装质量的可控性得以增强。

结合资料可知，某公司事业部门对目前产品提出了高密度、薄型、多层与集成的产品销售特点，为达到业界领先的超薄、超小型封装要求，设计者最先按照以往设计思路对开关封装进行研究。其中LDF厚度为0.203mm，条带尺寸为61.5×227.4mm，锯街设计为0.33mm，密度为14X12×4=672单元/条，底盘尺寸分为2.00×1.55mm、0.92×1.62mm、0.92×1.62mm，镀层类型选用PPF。过程中，设计人员需预先规划好基板MOS芯片放置部位，而后再将芯片按照布局要求查看触点是否接触良好，之后，将芯片与底板焊接，再使用管脚连接好芯片和基板，确认无误后再将标签贴在最上端。[1]

上述封装措施元件总厚度为0.620mm，芯片外包装为0.80mm。从工艺角度来看，如何更好地控制打线弧高的控制是产品控制厚度与应力结构的要点，若仍旧沿用以往的等效处理方法，则芯片在焊接精度方面或许会出现较小幅度的偏差，虽不会对双通道数字电源开关功能造成影响，但势必会影响到管脚的正常安置。

因此，设计者提出切割型焊桥设计理念，并结合产品要求拟定了多款焊桥框架作为实验对象，最终将芯片尺寸规格定在了50.820×51.080mm，锯街为0.33mm，密度为1275和2550单元/条。而焊桥上做凸点设计，凸点与芯片用烧结银进行焊接，增加了焊点与基板、芯片之间的接触面积，使得双通道数字电源的开关焊桥质量得以显著提升，并在原有基础上，使封装厚度显著降低，满足了事业部门的市场战略需要。

2 封装结构应力分析

从芯片所选型号与焊桥技术的转变可知，原有封装结构的厚度与质量都产生了较大的变化，若要保持芯片组的稳定性，则需要在结构单元转换后，对现有封装结构的应力进行分析，确保应力能够持续控制在限值状态下。

根据双通道数字电源开关的布置形式与结构特点可知，两组芯片的安装具有对称性，并且封装措施与元件选用相同，因此为降低模型数据的计算量，将选用1/4模型对应力数据进行分析。其次，遵循等效应力第四强度的理论，管理人员还需认真核查产品在使用过程中，热量等因素是否会对材料造成损害，甚至使材料出现屈服现象。为了更好且更全面地了解封装结构状况，管理人员便需识别应力的大小与分布状况。[2]

通过结构模型可知，产品封装管脚一侧应力明显高于其他处，并且由相关实验表明，不同材料受热膨胀系数的差异性，会使产品封装热应力水平提升，并产生较大的形变量，因此在材料膨胀过程中，管脚管给予较大的限制应力，而结合模型受力環境可知，受应力影响最明显的区域便是焊桥上凸点处与底部接触位置。此种应力分布情况，主要是因为焊桥作为连接基板与芯片的媒介，也具备弹塑性体的特点，在焊接过程中为避免对芯片结构与单元造成损害，通常会距离中心位置较远，而在管脚施以压力时，便不可避免地使芯片材料产生微小形变，此种状态下若受热膨胀系数等因素影响，则极易使形变量变大，甚至直接超过材料的限值，长此以往势必会使芯片的质量受损。

3 焊桥设计优化

双通道数字电源开关封装结构对内置芯片散热的残余应力影响较大，若是并未结合产品要求对焊桥结构进行优化，使其塑性约束力得以下降，则势必会因为材料的热膨胀性使芯片整体或局部结构承受较大的应力，甚至可能使其内部单元造成损害，造成数字电源的功能性受阻。因此，如何选用适宜的焊桥结构参数与封装结构非常重要。

以封装结构受力最明显的部位举例，为降低热膨胀应力对各处焊球施加作用力，本项目焊球在高度、间距与直径方面均可作为优化参量，借助软件对上述参量进行调整与深入研究，便能够使产品内部应力影响得以显著降低。过程中，可选用正交试验设计方法，对各类因素进行排列，列举各项参数的数值，并在参量变化期间，认真观察产品整体结构应力变化的规律与特点，并做好各项数据的记录工作，以便找寻到更适宜的优化参数。[3]

但结合设计资料来看，不论参量如何变化，封装结构内的最大应力均停留在外边缘及接触点位。因此，以二者作为影响要素，并结合正交实验表分别列举出不同焊桥高度、间距与直径中最大应力的数值，而后从中选择最适宜的焊桥数据，便能使封装质量得以增强。

而整体封装结构的优化，则可以选择以下三种方法：

1）直接优化法：在不考虑减薄封装体厚度情况下，通过利用工程软件对目标变量进行直接优化。通过利用通用的零阶优化方法选取十个以上影响因子当作设计变量，其取值应符合封装标准要求。

2）固定因子优化法：根据前文分析结果及直接优化固定在相应水平，并以其他八个影响因子对目标量进行再一次应力优化。

3）固定因子优化封装高度法：通过总结分析结果，在以降低封装高度为目标函数基础上，将固定在不同水平可以保障凸点处持续处于较低的应力水平，再有就是讲密封剂高度作为目标变量，保障芯片表明上密封剂厚度符合工艺要求。

4 实验验证

试验指标是试验研究过程的因变量，在试验中根据试验目的而确定的衡量试验结果的特征量称为试验指标。根据封装结构失效主要表现为芯片开裂、封装体翘曲两种，分层则是其中主要的失效表现，进而再导致后续的电性失效。在本问题中可选定芯片上第一主应力极大值、黏合剂上剪切应力极大值、封装体上下表面高度差为试验指标。其次，还需判断影响试验结果的影响要素，确保将每项要素纳入正交试验的考虑范畴之内，判断会对双通道数字电源封装结构带来的影响，并对参数进行适当的调整，才能使实验验证的结果更加属实。

基于实验验证的要求，本此实验选用最为直观的正交极差分析法，以便正交实验的结果更便于识别，因此寻求最适宜的生产环境、加工工艺和材料配备。其次，为使各项试验参数更具可比性，在得出各项数据后，需列举平均数值，将各组因素标注，并根据极差的大小明确因素的主次影响顺序，才能在选择焊桥方案时，更好把控各项影响要素。最后，结合每组试验的特点，设计者需筛选出各组最优的组合方案，并分别与原有方案进行核对，分析焊桥处应力的特点与确切数值，以便查看哪组焊桥方案最具优势，而后再选取数个最具优势的方案，分析其平均值的高低，以便更好地巩固实验结果。[4]

结合上述实验资料及结果可知，随着焊球的高度、间距与直径的不断增大，外侧拐角与接触点的最大等效应力在不断减小，因此有理由认为随着焊球高度的提升，会使周围的填充物增多，由此借由填充物可有效降低应力的传导，使封装受力得到缓冲，而焊球膨胀系数高于填充物，中间层的热膨胀系数势必会下降，而焊球与底部接触点系数差值也会减小，由此整体结构应力指数也会降低。应力之所以随着焊球间距的增大而减小，是因为随着焊球间距的增大，中间层等效热膨胀系数减小，所以中间层与底部接触位置热膨胀系数差减小，致使焊球外侧拐角与底部接触位置的最大等效应力不断减小。而应力之所以随着焊球直径的增大而减小，是因为随着焊球直径增大，焊球个数相应减小，在选定参数范围内使得整体中间层铜的比例减小，导致中间层等效热膨胀系数减小，而使焊球外侧拐角与底部接触位置的最大等效应力不断减小。因此，在面对事业部门对双通道数字电源开关产品提出的要求时，设计人员需站在更客观的角度，以更真实的数据，将焊球高度、间距及直径的影响，将残余应力作为凭据，选择更适宜的档案，确保产品功能性得以保障，才能在原有基础上持续变薄、变小，使公司产品在经济市场中的地位得以巩固。

5 结论

双通道数字电源开关产品封装结构的优化，不但能够在原有芯片焊桥垂直堆叠工艺基础上提供密度更高、制片更薄、层数更多且功能高度集成的产品，使此类产品在经济市场中的地位得到巩固，同時凭借且切割型焊桥的设计实验，也更便于调节封装结构的内部应力，避免因为热膨胀等元素影响，使产品质量受损。故而，在论述双通道数字电源开关封装结构应力及优化分析期间，必须明确影响封装结构质量的要素，并能够在技术可控的基础上改善现有封装技术，才能使产品的质量得到更多企业及用户的认可，使公司的市场地位得以巩固。

【参考文献】

[1]江伟，王丽凤.三维封装铜柱应力及结构优化分析[J].焊接学报，2017（3）.

[2]杨蕊萌，卢晓芹，许柳青.NCS38气密封钻杆接头应力分析与结构优化研究[J].石油机械，2017（2）.

[3]硅基光栅耦合封装结构的优化设计[J].激光技术，2017（4）.

[4]徐达，白锐，常青松，etal.新型3D射频封装结构的可靠性模拟研究[J].电子元件与材料，2017（3）.

[5]金国君，徐恺，檀珺，etal.具有超低反射率的折射率渐变封装结构[J].光学学报，2019，39（2）.