熱振耦合載荷下光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性研究

李柳瓊，楊珊兒，李美嫻，雷庭

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610，2.工業(yè)裝備質(zhì)量大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

0 引言

電信號(hào)在高工作頻率下容易出現(xiàn)電磁干擾、寬帶受限、信號(hào)完整性等問(wèn)題，對(duì)此現(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)。對(duì)于光電互聯(lián)技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究，Chen J專注板級(jí)光電耦合器件研究，仿真分析不同種類光電器件耦合效率[1-2]；Veli Heikkinen 、Do-Won Kim等人[3-4]研究了器件的熱可靠性對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響，分析溫度對(duì)光電器件可靠性的影響；吳華玲等人[5]通過(guò)設(shè)計(jì)光纖耦合系統(tǒng)，分析了耦合效率與耦合模塊之間的關(guān)系；劉翠翠等人[6]設(shè)計(jì)了光纖耦合模塊，分析了耦合模塊的耦合效率。上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要致力于光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)或單一應(yīng)力對(duì)光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，而光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用中往往會(huì)受到多種應(yīng)力的影響，對(duì)此本文通過(guò)建立光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)其施加熱振耦合載荷，分析光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在熱振耦合作用下的可靠性及其耦合效率。

1 有限元建模

1.1 光電互聯(lián)模型

光電互聯(lián)基板由上下兩層組成，上層陶瓷基板尺寸為：長(zhǎng)12mm、寬8mm、高1mm，下層撓性基板尺寸為：長(zhǎng)24mm、寬20mm、高0.5mm，下層基板內(nèi)刻間距為0.25mm的4條矩形槽，矩形槽內(nèi)嵌入芯層62.5um、包層125um的光纖。上層基板與垂直腔面發(fā)射激光器、上層基板與下層基板之間通過(guò)焊點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)，上冊(cè)互聯(lián)焊點(diǎn)直徑為0.1mm、高度為0.15mm，下層互聯(lián)焊點(diǎn)直徑為0.25mm、高度為0.4mm。建立的光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元仿真模型

1.2 材料參數(shù)設(shè)置

光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分除焊點(diǎn)為粘塑性材料外其余均為線彈性，材料參數(shù)如表1所示，其中焊點(diǎn)材料粘塑性ANAND方程系數(shù)如表2所示[7]。

表1 材料參數(shù)

表2 SAC305焊點(diǎn)ANAND方程系數(shù)

1.3 邊界條件設(shè)置

為了防止基板運(yùn)動(dòng)，對(duì)基板下表面的兩個(gè)角點(diǎn)施加全約束，選取垂直于基板的方向?yàn)殡S機(jī)振動(dòng)加載方向，熱分析中采用solid70單元，在振動(dòng)分析中將solid70單元轉(zhuǎn)換成solid185單元。

熱循環(huán)加載的試驗(yàn)條件根據(jù)Telcordia GR-468進(jìn)行確定，加載的熱循環(huán)曲線如圖2所示。設(shè)定的熱循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)如下：熱循環(huán)參考溫度為25°C，最高溫度為85°C，最低溫度為-45°C，在最高溫度和最低溫度分別維持10min，從最高溫到最低溫的速率均為10°C/min，一個(gè)完整熱循環(huán)周期為45min，共進(jìn)行3個(gè)熱循環(huán)周期。

隨機(jī)振動(dòng)條件采用國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD NAVMAT P-9492中的加速度功率譜密度，加載的功率曲線如圖3所示。當(dāng)振動(dòng)頻率為20Hz～80Hz時(shí)，曲線的斜率為+3dB/oct，對(duì)應(yīng)的加速度功率譜幅值范圍為0.01～0.04g2/Hz，80Hz時(shí)的幅值為0.04g2/Hz；當(dāng)振動(dòng)頻率為80Hz～350Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的加速度功率譜幅值為0.04g2/Hz；當(dāng)振動(dòng)頻率為350Hz～2000Hz時(shí)，曲線的斜率為-3dB/oct，對(duì)應(yīng)的加速度功率譜幅值范圍為0.04～0.01g2/Hz。

圖2 熱循環(huán)加載曲線

圖3 隨機(jī)振動(dòng)加載曲線

在ANSYS Workbench中采用順序耦合法建立熱與隨機(jī)振動(dòng)的耦合分析流程，先進(jìn)行熱循環(huán)分析，再將熱循環(huán)分析的結(jié)果作為隨機(jī)振動(dòng)的載荷，從而得到熱-隨機(jī)振動(dòng)耦合作用下光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果。如圖2所示。

圖4 熱與隨機(jī)振動(dòng)耦合圖

2 有限元結(jié)果分析

光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中各個(gè)部件的熱膨脹系數(shù)及密度各不相同，在熱振耦合應(yīng)力的作用下各個(gè)部件之間產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也各有差異。對(duì)此針對(duì)光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中薄弱即焊點(diǎn)、光纖應(yīng)力以及耦合部件之間的偏移量進(jìn)行分析，研究對(duì)準(zhǔn)偏移對(duì)耦合效率的影響。

2.1 焊點(diǎn)可靠性分析

如圖2所示，在熱循環(huán)與隨機(jī)振動(dòng)耦合作用下，選取撓性基板上的焊點(diǎn)應(yīng)力作為研究對(duì)象，提取該焊點(diǎn)的應(yīng)力分布圖，焊點(diǎn)應(yīng)力如圖5所示。由圖可知，焊點(diǎn)在角點(diǎn)處的應(yīng)力最大，由外往內(nèi)應(yīng)力逐漸減小，焊點(diǎn)3σ應(yīng)力分布圖中最大應(yīng)力為59.97Mpa。

圖5 焊點(diǎn)應(yīng)力圖

焊點(diǎn)材料為SAC305，其剪切強(qiáng)度K=35 Mpa，令σσ、σ2=σ3=0（σ1、σ2、σ3分別為第一、二、三主應(yīng)力，σs為等效應(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。

通過(guò)對(duì)比焊點(diǎn)最大應(yīng)力與其等效屈服應(yīng)力可知，焊點(diǎn)最大應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，因此光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中的焊點(diǎn)在熱振耦合作用下不會(huì)因屈服而發(fā)生失效。

2.2 光纖可靠性分析

在熱與隨機(jī)振動(dòng)耦合條件作用下，提取光纖受到的應(yīng)力云圖，如圖6所示。由圖可知，光纖受到矩形槽的約束產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力為140.25MPa。而光纖的實(shí)際斷裂強(qiáng)度約為4.07GPa，由此可知，在熱與隨機(jī)振動(dòng)耦合的作用下，光纖不會(huì)發(fā)生破壞，能夠保證陣列光纖在熱與隨機(jī)振動(dòng)耦合情形下的可靠性。

2.3 光電耦合效率分析

在熱振耦合載荷作用下，光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中各個(gè)部件之間會(huì)產(chǎn)生位置偏移，由于各個(gè)部件之間偏移量存在差異，使得光電耦合之間的效率發(fā)生變化。在熱循環(huán)與隨機(jī)振動(dòng)的耦合作用下，光電耦合模塊與VCSEL、光纖之間會(huì)產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)偏移，該偏移會(huì)降低耦合效率。由此提取3σ概率下VCSEL與上透鏡，下透鏡與光纖之間的對(duì)準(zhǔn)偏移量，結(jié)果如表3所示，由表可知，下透鏡與光纖在X方式上的對(duì)準(zhǔn)偏差最大為7.5um，同時(shí)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7所示。

表3 最大偏移量

圖7 X軸方向偏差與耦合效率/耦合損耗關(guān)系

由圖7可知，下透鏡與光纖在X方向的對(duì)準(zhǔn)偏移最大為7.5μm，在以上對(duì)準(zhǔn)偏移量下，光電耦合模塊的耦合損耗約為0.85dB，而其他位置處的對(duì)準(zhǔn)偏移較小，此最大偏移對(duì)光電互聯(lián)耦合效率的影響較小[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)建立光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，施加熱振耦合載荷進(jìn)行有限元分析，獲得以下結(jié)論：（1）熱循環(huán)與隨機(jī)振動(dòng)耦合作用下，焊點(diǎn)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為59.97Mpa，小于其屈服應(yīng)力。（2）熱循環(huán)與隨機(jī)振動(dòng)耦合作用下，光纖產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力為140.25Mpa，小于其斷裂強(qiáng)度。（3）最大對(duì)準(zhǔn)偏移發(fā)生在X方向，下透鏡與光纖的最大偏移為7.5 um，此時(shí)光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)耦合損耗為0.85dB?；谏鲜龇治鼋Y(jié)論可知，本文建立的光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在熱振耦合作用下其結(jié)構(gòu)可靠性能夠得到保障，并且光電耦合損耗在合理的范圍之內(nèi)。