大尺寸一體化外殼結構可靠性研究

段強，楊振濤，陳江濤，李航舟，高嶺

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051）

引言

隨著對電子設備的小型化、高可靠、多功能等要求越來越高，使得半導體產(chǎn)業(yè)的工藝提升和系統(tǒng)集成的發(fā)展越來越快。數(shù)字微波集成一體化外殼技術能夠將不同功能的電子元器件，如FPGA、DSP、功放、T/R組件、無源元件等都集成到一個外殼內，實現(xiàn)系統(tǒng)級功能，具有封裝集成度高、工藝兼容性好、電性能好、成本低和可靠性高等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景和巨大的市場需求。

以某款數(shù)字微波一體化外殼為例，為滿足大尺寸、大功率裸芯片/器件的封裝、散熱及隔離要求，該外殼采用封口環(huán)+陶瓷主體+熱沉底盤的結構進行設計，其中外殼陶瓷主體尺寸為45 mm×45 mm×3 mm，封口環(huán)尺寸為41.6 mm×41.6 mm×5.3 mm，熱沉底盤尺寸為43 mm×56 mm×1 mm，結構如圖1所示。

圖1 外殼結構圖

但是，根據(jù)前期設計經(jīng)驗，由于封口環(huán)、熱沉底盤和陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)不一致，易導致陶瓷開裂，存在失效風險。在生產(chǎn)和使用過程中，對陶瓷主體帶來最大應力的環(huán)節(jié)是高溫（800 ℃以上）釬焊工藝，圖2為該類結構在釬焊過程中的典型失效案例。

本文中外殼尺寸更大，不同零件間的熱膨脹系數(shù)失配問題會更加嚴重。因此，為提高該類大尺寸一體化外殼的結構可靠性，需要對不同材料/結構的零件在釬焊過程中的熱膨脹系數(shù)失配問題進行研究。

1 方案設計

釬焊過程中，不同材料間的熱膨脹系數(shù)不一致會導致零件變形量有差異[1]。固體的變形量計算公式如下：

式中：

α—線膨脹系數(shù)；

ΔT—釬焊溫度；

L—原始長度

由上式可知，在釬焊溫度ΔT（810 ℃）、外殼原始長度L固定的情況下，變形量ΔL取決于線膨脹系數(shù)α。由于零件之間的相互約束，不同零件之間變形量差異會導致外殼翹曲和內應力的產(chǎn)生。材料間熱膨脹系數(shù)越接近，釬焊后變形程度越小，焊接應力也越小，可靠性會更高。因此，為提高該類外殼的結構可靠性，需要解決封口環(huán)、熱沉底盤和陶瓷的熱匹配性問題。

根據(jù)前期設計經(jīng)驗，制定了多種不同結構、材料的封口環(huán)及熱沉組合方案。為兼容平行縫焊工藝，封口環(huán)材質為可伐合金，結構方案有2種；熱沉底盤方案有3種，材料分別選用銅/鉬銅/銅合金、鉬銅合金和鎢銅合金，封口環(huán)及熱沉結構如圖3所示。方案中使用到的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)（25 ℃）

圖3 封口環(huán)結構熱沉結構

2 仿真及實測

為對外殼的可靠性進行有效評估，運用各類有限元分析軟件來預判外殼釬焊后的殘余應力，是目前較為常見的外殼可靠性評價方法[2-4]。為簡化仿真模型，假設釬焊過程中焊料冷卻凝固之前處于“零應力狀態(tài)”，將這一溫度（810 ℃）與室溫（25 ℃）的溫差作為溫度載荷，假設釬焊界面是理想連接的[5]；其次假設整個釬焊過程中的材料形變均為理想的線彈性形變而不發(fā)生塑性形變[6]。根據(jù)產(chǎn)品結構尺寸，建立仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

不同方案下，仿真得到的陶瓷主體最大主應力及分布情況如圖5所示，熱沉底盤平面度及翹曲方向如圖6所示，不同方案的仿真結果匯總見表2所示。

由表2仿真結果可以看出，封口環(huán)方案結構2優(yōu)于結構1，不同熱沉材料方案中，鉬銅合金優(yōu)于鎢銅合金，鎢銅合金優(yōu)于銅/鉬銅/銅合金。

圖5 不同方案下的陶瓷最大主應力及分布

圖6 不同方案下的熱沉底盤平面度及翹曲方向

表2 仿真結果匯總

為驗證以上仿真結果，對不同的方案進行樣品試制。試制樣品使用3D輪廓測量儀對熱沉底盤平面度及翹曲方向進行實測，實測結果及翹曲方向如圖7所示，統(tǒng)計如表3所示。

圖7 平面度及翹曲方向實測

表3 平面度及翹曲方向實測結果匯總

對比仿真與實測結果，不同方案的熱沉平面度和翹曲方向趨勢一致。根據(jù)仿真及樣品驗證情況，方案5的平面度均值最小，且翹曲方向為背翹，更適用于板級螺孔安裝。因此，選用方案5作為該外殼的最終釬焊方案，即封口環(huán)選用結構2，熱沉選用鉬銅合金。

3 批產(chǎn)驗證

根據(jù)仿真及實測驗證結果，對該一體化外殼進行批量生產(chǎn)。隨機抽取30只釬焊后的外殼進行測試，熱沉平面度數(shù)據(jù)柱狀圖見圖8所示，平面度均小于50 μm，均值為32.7 μm。

圖8 批產(chǎn)平面度數(shù)據(jù)

按照應用要求，對批產(chǎn)外殼進行可靠性摸底。經(jīng)驗證，該外殼可滿足應用及可靠性要求，典型可靠性摸底包括溫度循環(huán)（-65～+175 ℃，100次）、離心（10000 g，Y1方向，1 min）等。

5 結論

通過對不同材料/結構的零件在釬焊過程中的熱膨脹系數(shù)失配問題進行研究，優(yōu)化了某款大尺寸數(shù)字微波一體化外殼的結構和材料，提高其結構可靠性。批產(chǎn)外殼的熱沉底盤平面度均值32.7 μm，滿足應用及可靠性要求。