大尺寸PGA封裝器件機(jī)械試驗(yàn)裝夾方法研究

朱朝軒，陳亮，但雅

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060）

引言

光電微系統(tǒng)是融合微電子、光電子、MEMS、架構(gòu)、算法五大基礎(chǔ)要素，利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想并采用微納制造工藝（芯片堆疊、TSV技術(shù)、晶圓級(jí)封裝等），將傳感、通信、處理、執(zhí)行、微驅(qū)動(dòng)等多功能單元系統(tǒng)級(jí)封裝集成在一起的元器件[1]。其設(shè)計(jì)理念、工藝技術(shù)以及所具備的功能，必然使光電微系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)、封裝管殼及材料等方面與傳統(tǒng)元器件存在差異，從而導(dǎo)致兩者在機(jī)械試驗(yàn)的具體要求不同[2]。例如，同樣為PGA封裝，傳統(tǒng)的PGA器件最常見(jiàn)的機(jī)械試驗(yàn)項(xiàng)目及條件是要求Y1方向高加速離心試驗(yàn)、Y1方向沖擊試驗(yàn)以及三方向的振動(dòng)試驗(yàn)，而新型PGA封裝的光電微系統(tǒng)要求多方向離心、沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)；而且，傳統(tǒng)PGA的頂部和底部在機(jī)械試驗(yàn)時(shí)可接觸受力，但新型PGA封裝的光電微系統(tǒng)的頂部和底部通常會(huì)有光窗、散熱塊等突出結(jié)構(gòu)，無(wú)法直接接觸受力，使得現(xiàn)有裝夾方法不能支撐光電微系統(tǒng)的Y1、Y2方向離心、沖擊及Y方向振動(dòng)試驗(yàn)。

因此，對(duì)新型PGA封裝的光電微系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PGA器件機(jī)械試驗(yàn)裝夾方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多方向離心、沖擊及振動(dòng)試驗(yàn)，而且容易造成光窗碎裂、漏氣等問(wèn)題，導(dǎo)致質(zhì)量與可靠性問(wèn)題，故而本文針對(duì)這類(lèi)器件的機(jī)械試驗(yàn)提出了一種新的裝夾方法，以解決所面臨的問(wèn)題。

1 提出裝夾方法

由于光電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得封裝管殼與傳統(tǒng)的PGA存在差異，其封裝管殼尺寸和內(nèi)腔體積更大，外引腳更多、間距更小且更靠近基板邊沿，管殼上下表面有凸出結(jié)構(gòu)。如圖1所示的某型短波紅外目標(biāo)識(shí)別與跟蹤微系統(tǒng)，封裝管殼尺寸為40×40 mm，其頂部有一塊14×14 mm的石英光窗，底部有散熱塊、陣列微孔，器件引腳很多且間距小，上下表面沒(méi)有可裝夾受力區(qū)域。本文將以圖1所示的器件作為示例，闡述所提出的裝夾方法，并完成試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)、應(yīng)力仿真驗(yàn)證。

鑒于這類(lèi)器件無(wú)法采用傳統(tǒng)的裝夾方法，需通過(guò)擠壓器件側(cè)面的方式完成裝夾，但由于這類(lèi)器件的外形尺寸較大，因此本文提出了同時(shí)對(duì)器件四個(gè)側(cè)面施加壓緊力，使器件在試驗(yàn)中能保持固定，受力示意圖與裝夾示意圖分別如圖2（a）、2（b）所示。采用圖2（b）的擠壓方式并用螺釘在對(duì)角處擰緊，會(huì)同時(shí)在器件每側(cè)面產(chǎn)生一個(gè)正壓力，使得器件的受力方式如圖2（a）所示。而在這種裝夾條件下，由正壓力在接觸面產(chǎn)生的摩擦力可以使器件承受Y方向的離心、沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)而保持固定不動(dòng)。

2 設(shè)計(jì)試驗(yàn)夾具

基于上述裝夾方法及元器件外形尺寸，便可設(shè)計(jì)出具體的機(jī)械試驗(yàn)夾具?？紤]到試驗(yàn)夾具實(shí)施擠壓的部分為異形結(jié)構(gòu)，若直接將該異形結(jié)構(gòu)裝夾到大試驗(yàn)臺(tái)上，必然會(huì)存在裝夾不便，且器件會(huì)額外承受來(lái)自試驗(yàn)臺(tái)緊固件的外力且量值很大，從而造成器件被擠壞，因此本文采用子母夾具的組合形式，即異形結(jié)構(gòu)作為子夾具，用以固定器件，封口盒式夾具作為母夾具，用以裝夾子夾具[3]。選擇封口盒式的母夾具好處在于母夾具與子夾具之間采用過(guò)渡配合，能保證子夾具固定不動(dòng)同時(shí)又不會(huì)遭受額外的擠壓，而且本文所提出的裝夾方法其裝夾過(guò)程繁瑣，時(shí)間較長(zhǎng)，采用封口盒式母夾具則可通用于離心、沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)，只需對(duì)器件進(jìn)行一次裝夾便能完成所有機(jī)械試驗(yàn)，避免了重復(fù)裝夾所耗費(fèi)的時(shí)間，從而大幅提高試驗(yàn)效率。

所設(shè)計(jì)的子夾具模型如圖3所示，母夾具模型如圖4所示，夾具的裝夾效果如圖5所示。其中，子夾具外側(cè)的4個(gè)側(cè)面分別與母夾具內(nèi)腔的4個(gè)側(cè)面采用過(guò)渡配合，母夾具內(nèi)腔深度值剛好等于5個(gè)子夾具堆疊的高度，從而保證母夾具蓋板能壓緊子夾具。如此一來(lái)，只需調(diào)整母夾具的裝夾方向，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)器件各個(gè)方向的離心、沖擊以及振動(dòng)試驗(yàn)。

圖1 新型PGA封裝微系統(tǒng)示例

圖2 受力示意圖及裝夾示意圖

圖3 子夾具模型

圖4 母夾具模型

圖5 子母夾具裝夾剖視圖

3 仿真分析及驗(yàn)證

利用ANSYS Workbench，對(duì)圖5所示的夾具模型進(jìn)行離心、沖擊以及振動(dòng)試驗(yàn)仿真，所選的短波紅外目標(biāo)識(shí)別與跟蹤微系統(tǒng)機(jī)械試驗(yàn)的具體要求如表1所示，仿真過(guò)程中施加的載荷需，則根據(jù)表中對(duì)應(yīng)的機(jī)械試驗(yàn)要求設(shè)置。

將模型導(dǎo)入ANSYS workbench，搭建起離心、沖擊和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真系統(tǒng)[4]。在離心試驗(yàn)仿真系統(tǒng)中，先根據(jù)實(shí)際受力情況設(shè)置固定支撐面（Fixed Support），基于勻速圓周運(yùn)動(dòng)公式將試驗(yàn)量級(jí)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值，并根據(jù)試驗(yàn)方向和離心機(jī)轉(zhuǎn)子大小設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的轉(zhuǎn)軸位置。從而得出離心試驗(yàn)仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。可以看出：應(yīng)力最大值分別出現(xiàn)在夾具與轉(zhuǎn)子的接觸支撐面上，而且母夾具蓋板邊沿設(shè)計(jì)了四個(gè)半沉頭連接孔，使得該區(qū)域受力面減少而應(yīng)力值達(dá)到82.7 MPa，但夾具的材料為硬鋁2A12，其屈服強(qiáng)度約為265 MPa，因此母夾具滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；從子夾具的應(yīng)力云圖可以看出，應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的增加而增大，靠近固定支撐面的子夾具應(yīng)力最大，約為25 MPa，遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)力極限值，因而子夾具的應(yīng)變計(jì)變形量完全可忽略不計(jì)，所以在實(shí)際離心試驗(yàn)中，夾具沒(méi)有過(guò)度形變的風(fēng)險(xiǎn)，器件也不會(huì)因夾具變形而受損或滑脫。

在同等量級(jí)、脈寬的各種經(jīng)典沖擊波形中，方波的沖擊能量最大，而上述夾具在±X和±Z四個(gè)方向的力學(xué)性能相同。因此，本文在沖擊試驗(yàn)仿真系統(tǒng)中，僅針對(duì)Y1、Y2、X1方向進(jìn)行量級(jí)為1 500 g、脈寬0.5 ms的方波沖擊試驗(yàn)試驗(yàn)仿真。各項(xiàng)沖擊試驗(yàn)仿真結(jié)果別如圖8～10所示。由應(yīng)力云圖可知：夾具在受沖擊的過(guò)程中，最大應(yīng)力值僅在10 MPa左右，Y1、Y2方向沖擊的最大應(yīng)力位于受沖擊的約束面上，其他方向沖擊的最大應(yīng)力位于母夾具腔體厚度最薄的位置。但由于最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的夾具符合沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

表1 某型短波紅外目標(biāo)識(shí)別與跟蹤微系統(tǒng)機(jī)械試驗(yàn)要求

圖6 Y1方向離心試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖7 Y2方向離心試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖8 Y1方向沖擊試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖9 Y2方向沖擊試驗(yàn)仿真結(jié)果

同理，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真只針對(duì)夾具X、Y兩個(gè)方向進(jìn)行。隨機(jī)振動(dòng)載荷根據(jù)GJB 548B的對(duì)應(yīng)條件設(shè)置[5]，選擇兩個(gè)與振動(dòng)載荷方向垂直的面作為固定約束面。X方向的隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果如圖11所示，結(jié)合高斯分布和Miner方法，隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中1σ、2σ、3σ區(qū)間應(yīng)力發(fā)生的時(shí)間分別占振動(dòng)時(shí)間的68.3 %、95.4 %和99.73 %，假定大于3σ范圍的應(yīng)力不存在于振動(dòng)試驗(yàn)中，故而將3σ應(yīng)力作為隨機(jī)振動(dòng)仿真中夾具所受的最大應(yīng)力，此時(shí)X方向隨機(jī)振動(dòng)的最大應(yīng)力約為0.3 MPa。另外，查看最大應(yīng)力位置的PSD響應(yīng)曲線(xiàn)如圖12所示，PSD響應(yīng)曲線(xiàn)近似于驅(qū)動(dòng)PSD曲線(xiàn)，說(shuō)明夾具在振動(dòng)頻率范圍內(nèi)沒(méi)有共振點(diǎn)，不存在共振現(xiàn)象。改變固定約束和振動(dòng)載荷方向，進(jìn)行Y方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與X方向結(jié)果雷同。由此說(shuō)明，該夾具符合振動(dòng)條件，滿(mǎn)足產(chǎn)品三方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求。

通過(guò)離心、沖擊及隨機(jī)振動(dòng)仿真分析可以看出，離心試驗(yàn)的應(yīng)力值最大，沖擊試驗(yàn)次之，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的應(yīng)力值最小，這正好與新型PGA封裝微系統(tǒng)的離心、沖擊和振動(dòng)的難易程度對(duì)應(yīng)。而各個(gè)方向的離心、沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的夾具符合多方向機(jī)械試驗(yàn)的要求，能解決實(shí)際問(wèn)題。

圖10 X1方向沖擊試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖11 X方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖12 X方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真響應(yīng)曲線(xiàn)

4 總結(jié)

本文針對(duì)新型PGA封裝的電子元器件多方向離心、振動(dòng)、沖擊等機(jī)械試驗(yàn)要求，在現(xiàn)有裝夾方法無(wú)法滿(mǎn)足這一要求的前提下，提出了從側(cè)面以大小相等的力同時(shí)擠壓器件的裝夾方式，設(shè)計(jì)出具體工裝夾具并完成各種機(jī)械試驗(yàn)仿真，證明了工裝夾具符合使用要求，所提的裝夾方法可有效解決實(shí)際問(wèn)題。此外，僅需改動(dòng)子夾具結(jié)構(gòu)，該裝夾方法便可適用于其他有多方向離心、沖擊、振動(dòng)需求的封裝類(lèi)型產(chǎn)品。因此，本文提出的裝夾方法具備一定的指導(dǎo)意義。