張金利
(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所,石家莊 050051)
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。
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
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。
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。
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。
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.