撓性基板光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力可靠性研究

聶國(guó)健,于 迪,雷 庭,李欣榮,楊 云

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州 510610)

0 引 言

為解決電信號(hào)在高工作頻率下出現(xiàn)的電子傳輸瓶頸問(wèn)題,現(xiàn)代電氣互聯(lián)技術(shù)將電互聯(lián)與光互聯(lián)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,構(gòu)成光電互聯(lián)技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光電互聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究,Tao等人研究了光電互聯(lián)基板(Printed Circuit Board,PCB)在涂覆工藝中光波導(dǎo)芯層變形對(duì)耦合效率的影響[1-2]；Bamiedakis等人研究了回流焊下焊點(diǎn)位移與耦合效率之間的關(guān)系[3]；He等人分析了光電器件功耗對(duì)光電PCB中各器件溫度分布的影響[4]；吳松等人研究得到了耦合效率與焊點(diǎn)參數(shù)之間的關(guān)系模型[5]；成磊等人研究得出光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)和熱循環(huán)下都能夠保證光傳輸?shù)姆€(wěn)定性[6-7]。

為實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)高密度與高速度的互聯(lián),撓性PCB光電互聯(lián)已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注,但目前的研究主要集中在撓性光波導(dǎo)軟膜的制作[8],而對(duì)于撓性光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作情形下的可靠性研究尚待明確,撓性光電組裝之間的對(duì)準(zhǔn)偏移對(duì)耦合效率的影響也不清晰。為此,本文研究建立了埋入光纖撓性PCB光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元模型,分析了焊點(diǎn)、光纖及耦合效率在熱—結(jié)構(gòu)耦合下的可靠性,研究結(jié)果可為埋入光纖撓性PCB光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元模型建立

1.1 光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型尺寸

埋入光纖撓性PCB光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元仿真模型如圖1所示。PCB由上下兩層組成,上層為陶瓷PCB,長(zhǎng)寬高為12 mm×8 mm×1 mm,下層為撓性PCB,長(zhǎng)寬高為24 mm×20 mm×0.5 mm,其中,垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)通過(guò)24個(gè)材料為SAC305的焊球封裝在陶瓷PCB上,焊球的直徑為0.1 mm、高度為0.15 mm,陶瓷PCB與撓性PCB之間通過(guò)56個(gè)直徑為0.25 mm、高度為0.4 mm的SAC305焊球相連。撓性PCB內(nèi)部埋入間距為0.25 mm的1×4陣列光纖,光纖的芯層與包層直徑分別為62.5與125.0μm,VCSEL發(fā)出的光束通過(guò)耦合元件傳輸至光纖,耦合元件的上表面與陶瓷PCB上表面平齊,耦合元件下表面與埋入光纖槽型的下表面平齊[9]。

圖1 埋入光纖撓性PCB光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元仿真模型

1.2 材料參數(shù)

除焊點(diǎn)外,光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中各部分材料可認(rèn)為是各向同性的線(xiàn)彈性材料,彈性模量E、泊松比μ、材料密度ρ和熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)CTE如表1所示。焊點(diǎn)材料為SAC305,采用粘塑性ANAND方程描述其力學(xué)行為,表2所示為SAC305材料的參數(shù)[9],表中,S0為內(nèi)變量初始值；Q為激活能；R為氣體常數(shù)；A為常數(shù)；ξ為應(yīng)力因子；M為應(yīng)變率敏感指數(shù)；h0和a為應(yīng)變硬化參數(shù)；S為變形阻力飽和值系數(shù)；n為應(yīng)變率敏感度。

表1 材料參數(shù)

表2 SAC305焊點(diǎn)材料ANAND方程系數(shù)

1.3 熱循環(huán)邊界條件設(shè)置

對(duì)建立的光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)的1/2模型中間剖切面施加對(duì)稱(chēng)約束,此外,為了防止PCB運(yùn)動(dòng),對(duì)撓性PCB下表面的兩個(gè)角點(diǎn)施加全約束。熱分析中采用solid70單元,在結(jié)構(gòu)分析中將solid70單元轉(zhuǎn)換成solid185單元。

根據(jù)光器件Telcordia GR-468可靠性標(biāo)準(zhǔn),選取熱循環(huán)試驗(yàn)條件。該試驗(yàn)條件參數(shù)如下:熱循環(huán)的最高和最低溫度分別為85和-45℃；升溫和降溫的速率均為10℃/min；在最高和最低溫度時(shí)都保溫10 min；一個(gè)熱循環(huán)的周期為2 700 s,共循環(huán)3個(gè)周期；初始的參考溫度為25℃。熱循環(huán)加載曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 熱循環(huán)加載曲線(xiàn)

2 熱—結(jié)構(gòu)有限元結(jié)果分析

由于光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中材料的熱膨脹系數(shù)不一致以及PCB的角點(diǎn)受到全約束限制,從而使得各個(gè)部件之間會(huì)產(chǎn)生周期性的熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。此外,熱應(yīng)力使得光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中各個(gè)部件受到周期性的拉壓變形,從而使VCSEL與上透鏡、下透鏡與光纖之間產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)偏差,降低耦合效率。

2.1 焊點(diǎn)熱應(yīng)力可靠性分析

在熱循環(huán)沖擊下,焊點(diǎn)發(fā)生周期性的熱應(yīng)力,焊點(diǎn)應(yīng)力如圖3所示。由圖可知,在熱循環(huán)溫度的沖擊下,連接VCSEL上層焊點(diǎn)的最大熱應(yīng)力為15.892 MPa,并且靠近中心處的焊點(diǎn)應(yīng)力大于四周的焊點(diǎn)應(yīng)力。而連接陶瓷PCB與撓性PCB的下層焊點(diǎn)的最大熱應(yīng)力為6.945 MPa,位于角點(diǎn)處,由下層焊點(diǎn)的熱應(yīng)力分布圖可知,焊點(diǎn)應(yīng)力由四周向內(nèi)逐漸減小。

焊點(diǎn)材料為SAC305,其剪切強(qiáng)度K=35 MPa,令σ1=σs、σ2=σ3=0,σ1、σ2和σ3分別為第1、2和3主應(yīng)力,根據(jù)Von Mises準(zhǔn)則,由第4強(qiáng)度條件計(jì)算公式得到焊點(diǎn)的等效屈服應(yīng)力σs為

圖3 焊點(diǎn)應(yīng)力圖

由此可知,上、下層焊點(diǎn)在熱循環(huán)沖擊下產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力(上、下層焊點(diǎn)最大熱應(yīng)力分別為15.892和6.945 MPa)均小于其屈服應(yīng)力,因此光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中的焊點(diǎn)在Telcordia GR-468可靠性標(biāo)準(zhǔn)中的熱循環(huán)負(fù)載下不會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力過(guò)大而發(fā)生屈服失效。

2.2 光纖熱應(yīng)力可靠性分析

在熱循環(huán)溫度的沖擊下,提取光纖受到的最大熱應(yīng)力,分析結(jié)果如圖4所示。由圖可知,在熱循環(huán)的沖擊下,光纖受到矩形槽的約束,在光纖與槽型接觸處產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力為141.03 MPa。而光纖的實(shí)際斷裂強(qiáng)度約為4.07 GPa,由此可知,在Telcordia GR-468可靠性標(biāo)準(zhǔn)中的熱循環(huán)負(fù)載下,光纖不會(huì)因熱應(yīng)力過(guò)大而失效。

圖4 光纖應(yīng)力圖

2.3 耦合效率可靠性分析

耦合器件之間的對(duì)準(zhǔn)偏移是影響光電互聯(lián)模塊耦合效率的主要原因,由于光電互聯(lián)模塊在Z軸方向上的對(duì)準(zhǔn)偏移對(duì)耦合效率的影響很小,可忽略不計(jì),因此本文重點(diǎn)研究光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在X和Y方向上的偏移對(duì)耦合效率的影響。通過(guò)對(duì)光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)施加熱循環(huán)載荷,分析得出VCSEL與上透鏡、光纖與下透鏡在X和Y方向上的對(duì)準(zhǔn)偏移,最大對(duì)準(zhǔn)偏移量如表3所示,研究各對(duì)準(zhǔn)偏移對(duì)耦合效率造成的損耗,分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 對(duì)準(zhǔn)偏移圖

表3 最大對(duì)準(zhǔn)偏移量

由圖可知,VCSEL與上透鏡在X和Y方向的對(duì)準(zhǔn)偏移分別約為1和2μm,光纖與下透鏡在X和Y方向的對(duì)準(zhǔn)偏移均約為4μm。在以上對(duì)準(zhǔn)偏移量下,光電耦合模塊的耦合損耗約為0.7 dB,由此可知,以上對(duì)準(zhǔn)偏移對(duì)耦合效率的影響較小[10]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立撓性光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)的有限元模型,對(duì)其進(jìn)行熱—結(jié)構(gòu)分析,獲得了焊點(diǎn)和光纖的應(yīng)力分布圖、光電互聯(lián)模塊與VCSEL和光纖之間的對(duì)準(zhǔn)偏移,通過(guò)對(duì)以上結(jié)果的分析獲得以下結(jié)論:(1)在熱—結(jié)構(gòu)加載條件下,上層焊點(diǎn)產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于下層焊點(diǎn),上層焊點(diǎn)的最大熱應(yīng)力為15.892 MPa,且靠近中心處的焊點(diǎn)應(yīng)力大于四周的焊點(diǎn)應(yīng)力。(2)在熱沖擊載荷下,光纖與槽型接觸處產(chǎn)生的熱應(yīng)力最大,為141.03 Mpa。(3)光纖與下透鏡在X和Y方向產(chǎn)生的對(duì)準(zhǔn)偏移最大為4μm,此時(shí)造成的耦合損耗為0.7 dB。埋入光纖撓性PCB光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在熱—結(jié)構(gòu)分析中,焊點(diǎn)與光纖應(yīng)力均處于安全范圍,光電耦合效率受到的影響不顯著,能夠保證光傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本文的設(shè)計(jì)方案及分析結(jié)果可為提高撓性光電傳輸?shù)目煽啃院蛽闲怨怆娊M裝提供參考。