鍵合金絲可靠性強化試驗失效機理仿真分析

王成，尹洪波，毛冰晨

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001）

0 引言

微波多芯片組件技術(shù)極大地促進了微波電子電路的發(fā)展，它是在高密度多層互聯(lián)基板上利用微焊接技術(shù)和封裝工藝組裝微波電路的各個元器件，形成高密度、高可靠性、高性能和立體結(jié)構(gòu)的電子裝備的高新技術(shù)。金絲鍵合具有可靠性高、柔韌性好、密度高、工藝簡單、價格低廉和應用范圍廣等優(yōu)點，通常采用金絲鍵合工藝來實現(xiàn)單片微波集成電路，微波傳輸線、共面波導和集總式元器件之間的信息鏈接[1-3]。數(shù)據(jù)表明，90%以上的電子封裝產(chǎn)品中使用了金絲鍵合技術(shù)。金絲鍵合作為微波多芯片組件中的關(guān)鍵工藝，其可靠性直接決定了組件的質(zhì)量和可靠性[4-5]。鍵合金絲在使用環(huán)境中主要受熱沖擊和機械振動的影響，最終導致材料出現(xiàn)疲勞損傷失效[6]。

可靠性強化試驗通過試驗系統(tǒng)施加逐漸增大的環(huán)境應力和工作應力，以評估組件設計的可靠性，從而暴露出設計中的薄弱環(huán)節(jié)，便于前期的設計更改。某型號組件在10個周期的溫度循環(huán)（-80～+125℃）及1 h的強化隨機振動試驗后電性能出現(xiàn)異常，振動頻率為4 000 Hz，激勵譜密度為1.5 g2/Hz，遠大于GJB 360B組件的隨機振動要求。開蓋后發(fā)現(xiàn)部分鍵合金絲根部出現(xiàn)斷裂。本文利用Ansys Workbench有限元軟件對鍵合金絲在隨機振動中的動力學性能進行分析，并基于Palmgren-Miner定律計算鍵合金絲的疲勞指數(shù)。分析的結(jié)果對后續(xù)的金絲鍵合設計及工藝優(yōu)化具有一定的指導意義。

1 模型的建立

強化隨機振動試驗中根部斷裂的鍵合金絲如圖1所示，金絲采用楔形焊接，鍵合金絲的第一端點和第二端點所處的平面等高，金絲直徑為25μm，通過顯微鏡測量得到其鍵合點間距D=3.5 mm，拱高H=0.7 mm。

圖1 根部斷裂的鍵合金絲

為了能夠在Creo軟件中準確地建立鍵合金絲的模型。首先，取根部斷裂的鍵合點為直角坐標系的原點，建立鍵合金絲的曲線模型，如圖2所示，采用二次曲線擬合的方法，得到鍵合金絲的函數(shù)方程z=0.228 5x2-0.8x。將得到的方程導入Creo軟件中建立金絲的曲線模型，再導入Ansys Workbench中進行模態(tài)分析和隨機振動分析。模型沿軸向采取掃略劃分網(wǎng)格。端面采取四邊形網(wǎng)格劃分，沿軸向70等分。在鍵合金絲的兩端施加全自由度約束以模擬金絲鍵合點的作用。鍵合金絲的材料物理性能如表1所示。

圖2 鍵合金絲的曲線模型

表1 鍵合金絲的材料物理性能

2 隨機振動仿真分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于求模型的固有頻率、振型和模態(tài)阻尼比等，是后續(xù)隨機振動分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析的目的是為了確定鍵合金絲的固有頻率和相應振型。模態(tài)求解的階數(shù)直接關(guān)系著后續(xù)隨機振動分析的精度，因此，必須保證模型在某個方向上的有效質(zhì)量與總質(zhì)量的比值大于0.85。針對該模型，求得其前10階的固有頻率，前3階的計算結(jié)果如表2所示。由于鍵合金絲的尺寸小、質(zhì)量輕，因此模態(tài)頻率較大。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

各階振型反映了鍵合金絲相對于初始位置的相對變化趨勢。鍵合金絲前3階的振型如圖3所示。其中，第一階的振型為沿Y軸方向左右擺動。一階振型的相對位移較大，對其應力和應變都有較大的影響。

圖3 鍵合金絲的前3階振型

2.2 隨機振動受力分析

強化隨機振動的試驗條件為X、Y、Z每個方向60 min，激勵譜如圖4所示。振動頻率為20～4 000 Hz，激勵譜密度為1.5 g2/Hz。

圖4 隨機振動激勵譜

為了研究不同方向的激勵載荷對鍵合金絲的受力影響情況，仿真了鍵合金絲在X、Y、Z方向的隨機振動受力情況，其等效應力如圖5所示，等效應力由“3σ”規(guī)則確定。從圖5中可以看出，3個振動方向的最大等效應力都位于鍵合金絲的根部區(qū)域，這也是振動過程中最容易發(fā)生斷裂的地方。且Y軸振動方向的最大等效應力值遠遠地大于另外兩個方向的等效應力。由模態(tài)分析的結(jié)果可知，鍵合金絲一階振型的固有頻率為2 272.8 Hz，在強化試驗隨機振動的頻率范圍內(nèi)，鍵合金絲在Y軸方向表現(xiàn)出共振行為。

圖5 X、Y、Z方向的隨機振動等效應力

3 斷裂結(jié)果分析

使用該組件裝配時的劈刀鍵合100根金絲，選取10%進行拉力測試，測試時用微型鉤子鉤起金絲的中間，鉤子以恒定的速度升起，直到金絲最薄弱的部位斷裂，并記下此時所施加的拉力。鍵合金絲的拉力平均值為6.5 g，最低值為4.7 g，最高值為9.1 g。選取拉力平均值6.5 g，利用圖2的金絲模型模擬拉力對金絲的作用，鍵合金絲在拉力值6.5 g時的等效應力如圖6所示。

圖6 鍵合金絲的等效應力

材料的疲勞數(shù)學模型如公式（1）所示：

式（1）中：S1、S2——應力水平；

N1、N2——應力水平對應的引力循環(huán)次數(shù)；

b——疲勞指數(shù)。

根據(jù)文獻[7]，非鐵金屬的疲勞壽命為1 000次應力循環(huán)時，其所承受的應力水平為抗拉強度。b值取6.4。將圖6中的最大等效應力值代入疲勞數(shù)學模型中，得到鍵合金絲的疲勞模型：

選取Y軸方向振動時最大等效應力的危險點S，X、Y、Z方向的隨機振動在該點的等效應力結(jié)果如表3所示。

表3 應力分析結(jié)果

將表3中的X、Y、Z方向的等效應力值代入鍵合金絲的疲勞模型式中，計算得到X、Y、Z振動載荷下的金絲壽命，如表4所示。

表4 X、Y、Z振動方向下金絲的壽命

Palmgren-Miner定律是使用最廣泛的線性累計損傷理論，材料各個應力下的疲勞損傷不受載荷順序的影響，而是獨立地繼續(xù)進行的，總損傷可以線性累加?？赏ㄟ^以下公式計算金絲的疲勞損傷指數(shù)。

計算得到Rn=0.77。從計算結(jié)果中可以看出，X和Z方向振動激勵的疲勞損傷指數(shù)遠小于Y方向，相對于Y方向的疲勞損傷指數(shù)基本可忽略，因此鍵合金絲的疲勞損傷主要受Y方向的振動激勵影響。另外，Rn值雖然小于1，但已大于電子設備測試中規(guī)定的0.7，存在較大的疲勞損傷的風險。

該組件在可靠性強化隨機振動試驗之前已進行了10個周期的溫度循環(huán)（-80～+125℃）試驗，由于鍵合金絲與基板之間的膨脹系數(shù)失配，交變的熱應力易造成鍵合金絲的根部變形產(chǎn)生應力集中，使鍵合金絲產(chǎn)生一定的熱疲勞。另外，計算上述的鍵合金絲的抗拉強度等效應力時鍵合金絲的拉力取值為6.5 g，而拉力測試時最小值為4.7 g，該值對應的鍵合金絲疲勞損傷指數(shù)Rn＞1。因此在1 h的強化試驗隨機振動條件下，Y方向振動載荷即對鍵合金絲造成了疲勞損傷，導致部分金絲發(fā)生了斷裂。

4 結(jié)束語

文中利用仿真軟件模擬了隨機振動試驗中不同方向的鍵合金絲等效應力，并根據(jù)Palmgren-Miner定律計算了鍵合金絲的疲勞損傷指數(shù)，計算結(jié)果表明鍵合金絲的斷裂主要是疲勞損傷造成。該結(jié)果對于優(yōu)化鍵合金絲的設計及工藝具有一定的指導意義，可通過以下方法進行改進。

a）劈刀的使用壽命對鍵合的強度有較大的影響，隨著使用次數(shù)的增加鍵合金絲的拉力逐漸地減小。在20 000次的使用范圍內(nèi)，鍵合金絲的強度從最初的抗拉強度140 mN降低到35 mN，雖然能夠滿足GJB 548—2000中對規(guī)定的30 mN使用要求，但為了提高鍵合金絲的抗拉強度，應適當?shù)販p少劈刀使用次數(shù)。

b）優(yōu)化鍵合金絲的工藝參數(shù)，如超聲功率、鍵合的壓力和鍵合面的溫度等，以提高鍵合金絲的抗拉強度。

c）因為頻率范圍越接近組件的一階固有頻率，組件對激勵的響應就會越大。設計的鍵合焊盤距離應盡可能地短，以減小鍵合金絲的跨度，并降低鍵合金絲的拱度，從而提高鍵合金絲的第一階固有頻率，增大鍵合絲的抗振能力，避免在隨機振動頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振。