大腔體陶瓷封裝外殼斷裂強(qiáng)度分析與提高

張金利

（中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051）

1 引言

陶瓷材料作為一種高性能材料，在高可靠性需求領(lǐng)域如軍用電子、航空航天電子、商業(yè)上的高端處理器等，得到廣泛的應(yīng)用[1]。受芯片技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動，應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路芯片的陶瓷封裝外殼的封裝密度需要進(jìn)一步提高。在制造技術(shù)（沖孔技術(shù)、線條技術(shù)等）一定的情況下，封裝密度的增加直接導(dǎo)致大尺寸多腔體陶瓷外殼的出現(xiàn)。同時(shí)，高密度大尺寸封裝外殼的需求也將給原有的可靠性技術(shù)帶來進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。一方面可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減小應(yīng)力集中，另一方面可以通過提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加抗破壞能力，而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為提高可靠性的根本方法。

陶瓷是一種脆性材料，在應(yīng)力作用下會產(chǎn)生脆性斷裂，其特點(diǎn)是受到缺陷的控制[2]。材料內(nèi)部或表面存在的各種缺陷可以視作不同性質(zhì)的斷裂源，材料在某一外加應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的概率將取決于缺陷的物理尺寸和受力狀態(tài)。

陶瓷封裝外殼采用多層陶瓷工藝，在加工過程中，腔體的形成需要經(jīng)過沖孔和熱切等機(jī)械成型工藝。在這些工藝中，工藝過程會對生瓷表面造成一定的損傷，這些損傷在經(jīng)過燒結(jié)后會有部分保留下來，成為陶瓷封裝外殼的表面缺陷，對斷裂強(qiáng)度造成影響[3]。

圖1 典型大腔體陶瓷外殼工藝流程

因此，研究工藝過程對陶瓷封裝外殼斷裂強(qiáng)度的影響機(jī)理和提高強(qiáng)度的加工方式對于提高陶瓷封裝外殼可靠性是至關(guān)重要的。

2 恒定加速度下的陶瓷外殼失效

在針對陶瓷外殼的一系列力學(xué)可靠性試驗(yàn)中，恒定加速度實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞旨畛鎏沾赏鈿?nèi)部的力學(xué)響應(yīng)，從而作為代表性實(shí)驗(yàn)成為力學(xué)可靠性分析的首選。高密度大尺寸陶瓷外殼恒定加速度實(shí)驗(yàn)及試驗(yàn)中元件固定方式如圖2（a）所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)裂紋引發(fā)失效的位置集中在腔體的圓角位置，如圖2（b）為典型的陶瓷封裝外殼在20000 G恒定加速度試驗(yàn)條件下的失效。

圖2 陶瓷外殼典型裂紋失效

3 失效分析

為分析恒定加速度實(shí)驗(yàn)中的失效原因，對恒定加速度條件下瓷件的受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，陶瓷封裝外殼第一主應(yīng)力分布如圖3 所示。陶瓷腔體圓角處應(yīng)力集中，存在誘發(fā)陶瓷缺陷產(chǎn)生裂紋的概率。

圖3 陶瓷外殼腔體圓角處應(yīng)力分布

對陶瓷外殼的腔體臺階圓角處和自然表面的缺陷狀態(tài)進(jìn)行比較觀察，得到的結(jié)果如圖4所示?？梢娫诮?jīng)過一般的沖孔和熱切等機(jī)械加工后的生瓷件腔體圓角處就已經(jīng)存在一定的缺陷，這些缺陷的尺度遠(yuǎn)大于陶瓷自然表面的缺陷。在燒結(jié)后一部分缺陷被保留下來，從而在微觀上具有更低的強(qiáng)度，在恒定加速度可靠性試驗(yàn)中受到集中應(yīng)力的作用成為可能的裂紋源，形成在低應(yīng)力下的失效。

4 加工缺陷分析

采用激光加工方式取代沖孔和熱切等機(jī)械加工方式對生瓷腔體進(jìn)行加工，形成的腔體圓角處缺陷狀態(tài)如圖5所示。

可以看出，激光加工所造成的表面損傷較小，且連續(xù)光滑，由于激光的分次加工，側(cè)面呈現(xiàn)出層狀形貌。沖孔加工所造成的表面損傷最大，分布雜亂。熱切造成的損傷呈不均勻分布，熱切起始處缺陷較小，數(shù)量較少。向下逐漸增加，在熱切終止處缺陷最大，數(shù)量最多，此處的缺陷與沖孔相似。

結(jié)合失效分析可知，激光加工相比沖孔和熱切等機(jī)械加工產(chǎn)生的缺陷更少，能夠改善陶瓷外殼腔體的力學(xué)強(qiáng)度。

5 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

參考YB/T 5349-2006《金屬彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，采用強(qiáng)度瓷條的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)對不同加工方式的陶瓷強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。分別采用激光加工、沖孔加工和熱切加工的方式，加工0.33 mm厚的B210單層生瓷片，再采用多層工藝將單層生瓷片層壓、燒結(jié)后，形成標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度測試瓷條，如圖6所示。利用強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，使加工面處于最大拉應(yīng)力面，得到不同加工方法下的瓷條強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

得到的強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 陶瓷外殼圓角處的表面狀態(tài)

表1 不同加工工藝下陶瓷抗彎強(qiáng)度

將得到的強(qiáng)度數(shù)據(jù)根據(jù)兩參數(shù)Weibull分布對陶瓷強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形式如下：

不同加工工藝下的瓷條強(qiáng)度Weibull參數(shù)計(jì)算如表2所示。

表2 不同加工工藝下陶瓷抗彎強(qiáng)度Weibull分布式

圖5 不同加工工藝下腔體表面狀態(tài)

圖6 陶瓷抗彎瓷條示意圖

不同加工方式的瓷條強(qiáng)度Weibull如圖7所示。

可見不同加工方式加工出的瓷條強(qiáng)度分布呈現(xiàn)出明顯的差異。強(qiáng)度分布如圖4（a）所示，激光加工出的瓷條具有最高的強(qiáng)度，為572.59 MPa，熱切次之為484.03 MPa，沖孔加工的強(qiáng)度最小為400.58 MPa。激光加工強(qiáng)度高于沖孔加工強(qiáng)度約170 MPa。強(qiáng)度離散度如圖7（b）所示，熱切加工具有最小的離散度，激光加工其次，分散程度最大的是沖孔加工。

圖8 不同加工工藝下陶瓷抗彎瓷條斷面

對三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的瓷件進(jìn)行斷口分析，結(jié)果如圖8所示。

對于激光加工瓷條，無論是高應(yīng)力斷口還是低應(yīng)力斷口，斷裂源位置大部分集中在接近最大受力面的陶瓷內(nèi)部，部分出現(xiàn)在激光加工面，且斷口粗糙不平，說明激光加工造成的表面損傷與陶瓷本身的缺陷相當(dāng)，產(chǎn)生斷裂的誘發(fā)應(yīng)力較高，同時(shí)裂紋擴(kuò)展需要的能量也較高。對于熱切加工瓷條，低強(qiáng)度斷裂源位置主要集中在最大應(yīng)力面附近的熱切下棱邊處，說明此處由于熱切形成較大的缺陷，易形成斷裂失效。對于沖孔加工瓷條，低強(qiáng)度斷裂的斷裂源位置主要集中在最大應(yīng)力面上的沖孔加工面上，說明此處由于沖孔形成較大的缺陷，易形成斷裂失效。

通過標(biāo)準(zhǔn)抗彎瓷條的試驗(yàn)和斷面分析，證明激光劃腔相比機(jī)械落腔斷裂強(qiáng)度提高42.5%。通過采用激光加工腔體的方式，能夠提高陶瓷外殼腔體的斷裂強(qiáng)度，減少斷裂失效。

6 結(jié)論

文章通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證對陶瓷封裝外殼腔體應(yīng)力失效的原因進(jìn)行了分析，確定了工藝加工方式對陶瓷斷裂強(qiáng)度的影響規(guī)律，采用激光劃腔的方式顯著提高了陶瓷加工件的抗彎強(qiáng)度。此技術(shù)已應(yīng)用于大規(guī)模集成電路芯片和極大規(guī)模集成電路芯片用陶瓷封裝外殼的加工生產(chǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果，對提高大尺寸多腔體陶瓷外殼的斷裂強(qiáng)度具有重大意義。

[1]R R Tummala, Eugene J Rymaszewski, etc, 中國電子學(xué)會電子封裝專業(yè)委員會，電子封裝叢書編輯委員會. 微電子封裝手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2]Martin Geneta, Manuel Houmarda. A two-scale Weibull approach to the failure of porous ceramic structures made by robocasting：Possibilities and limits[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2013, 33(4)：679-688.

[3]曾超，王春青，田艷紅，孔令超. 熱切缺陷對氧化鋁陶瓷強(qiáng)度的影響[M]. 宇航材料工藝，航天材料及工藝研究所，2008.