管殼引腳的低應(yīng)力玻璃封接

蔣玉齊，周超杰

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

0 引言

金屬封裝采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上，引線穿過金屬殼體或底座時(shí)大多采用玻璃-金屬氣密封接技術(shù)。它被廣泛地用于混合電路的封裝，也適合于射頻、微波、光電、聲表面波和大功率器件；在許多領(lǐng)域，尤其是在電源、航空航天、汽車電子、醫(yī)療和照明燈領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

玻璃與金屬的封接方式主要有兩種：匹配封接和壓縮封接。匹配封接通常選用膨脹系數(shù)比較接近的玻璃和金屬（從常溫到玻璃軟化點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)）。封接強(qiáng)度主要依靠玻璃與金屬表面的氧化層之間的化學(xué)鍵[3-4]。典型的應(yīng)用是可伐材料（管殼或引腳）與硼硅玻璃的封接。

在壓縮封接中，金屬管殼材料的膨脹系數(shù)比玻璃膨脹系數(shù)大很多，封接冷卻后在玻璃中形成擠壓應(yīng)力，達(dá)到封接目的。由于玻璃的抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，因此這是一種理想的應(yīng)力狀態(tài)。例如：鋼化玻璃由于表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)120 MPa以上，遠(yuǎn)高于非鋼化的普通玻璃。加上玻璃與金屬表面的氧化層之間的化學(xué)鍵作用，所以壓縮封接強(qiáng)度比匹配封接更為牢固。例如：膨脹系數(shù)為（12~14）×10-6/℃的低碳鋼與膨脹系數(shù)為9×10-6/℃的軟玻璃的壓縮封接[5]。

封接質(zhì)量的好壞，在很大程度上取決于玻璃-金屬封接界面的質(zhì)量及封接界面的應(yīng)力狀態(tài)[6]。如果玻璃絕緣子出現(xiàn)缺陷甚至開裂，這些元器件的密封性、電性能和機(jī)械性能等都會(huì)因此下降。氣泡、漏洞和炸裂等是玻璃-金屬封接界面在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生的主要缺陷。Wang[7]對(duì)Bi2O3-ZnOB2O3無鉛低溫玻璃焊料與預(yù)氧化的可伐合金進(jìn)行了封接工藝研究，實(shí)現(xiàn)了500℃下的氣密封裝。Tandon[8]在304不銹鋼外殼-鐵鎳合金（CTE為10.5×10-6/℃）引腳的玻璃封接中發(fā)現(xiàn)：雖然玻璃的CTE與引腳材料很接近，但金屬外殼材料的微小塑性變形可以導(dǎo)致玻璃絕緣子產(chǎn)生很多的周向裂紋。

目前的玻璃-金屬的壓縮封接工藝還有待完善，封接所選取的材料和控制參數(shù)都有待進(jìn)一步地探討[9]。為此很多學(xué)者基于過盈配合進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元仿真分析?；谶^盈配合、彈性變形和平面應(yīng)力假設(shè)，Wu[10]針對(duì)多達(dá)5個(gè)共軸圓管的冷縮配合應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算；通過獲得相鄰兩個(gè)圓管的配合界面的接觸壓力，算出界面處的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。Miraje[11]基于平面應(yīng)變假設(shè)，對(duì)3層圓柱體材料的同軸壓縮配合進(jìn)行了理論分析。Kumaresan[12]基于平面應(yīng)變假設(shè)，建立了二維仿真模型，考慮材料的塑性變形，對(duì)雙圓柱體的過盈配合的極限接觸壓力進(jìn)行了仿真分析。

文章針對(duì)一款混合集成電路模塊中的金屬管殼-玻璃-金屬引腳之間的封接開裂失效現(xiàn)象，借助三維有限元仿真分析手段和理論分析手段進(jìn)行了失效分析，對(duì)其中的壓縮和匹配封接的手段提出了改進(jìn)措施，以便降低玻璃絕緣子的應(yīng)力水平。

1 玻璃-金屬封接開裂的失效現(xiàn)象

某混合集成電路模塊采用金屬鋁管殼封裝，其不銹鋼引腳通過低溫玻璃熔封工藝在500℃下直接釬焊到鋁管殼上，在金屬引腳與管殼之間形成了玻璃絕緣子，如圖1所示。模型為1/2對(duì)稱，蓋板未顯示。

圖1 管殼封裝結(jié)構(gòu)

在顯微鏡下對(duì)其進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)該不銹鋼金屬引腳四周的玻璃絕緣子存在裂紋及碎裂現(xiàn)象，如圖2所示。裂紋大部分為徑向開裂形貌，也有少部分為周向開裂。另外，玻璃絕緣子裂紋、碎裂還同時(shí)導(dǎo)致集成電路密封性失效。玻璃絕緣子封接處的裂紋懷疑與封裝熱殘余應(yīng)力有關(guān)。

圖2 玻璃絕緣子的開裂

2 仿真模型

利用Abaqus通用仿真分析軟件，建立了封裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真分析有限元模型，如圖3所示。為了進(jìn)行參數(shù)化仿真分析，同時(shí)獲得高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格模型，從而有助于獲得更加穩(wěn)定可靠的仿真結(jié)果，建立了1/2對(duì)稱的簡(jiǎn)化模型。該模型完全由六面體結(jié)構(gòu)單元組成。圖中引腳周邊區(qū)域即為玻璃絕緣子。仿真模型所用的材料參數(shù)如表1所示。借助Abaqus軟件的Python腳本進(jìn)行二次開發(fā)，可自動(dòng)地進(jìn)行參數(shù)化建模仿真分析和收集結(jié)果。由于失效部位位于玻璃絕緣子，因此主要對(duì)玻璃絕緣子的應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力水平進(jìn)行觀察與分析。

表1 仿真模型所用的材料參數(shù)

圖3 封接結(jié)構(gòu)仿真模型

3 仿真結(jié)果與討論

3.1 原有的設(shè)計(jì)

采用500℃的焊接工藝將不銹鋼金屬引腳直接通過玻璃封接釬焊到整個(gè)鋁管殼上。冷卻到室溫后其等效應(yīng)力分布如圖4所示?？梢钥吹较噜弮蓚€(gè)玻璃絕緣子之間的金屬管殼材料（鋁）應(yīng)力相對(duì)較大，產(chǎn)生了1%的等效塑性變形。由于玻璃是脆性材料，觀察其最大主應(yīng)力（Max Principal Stress）的分布情況。如圖5所示，玻璃絕緣子內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力達(dá)到137 MPa，大大地超過了玻璃的抗拉強(qiáng)度（約為50~70 MPa）[13-14]，因此，在原有的設(shè)計(jì)中，玻璃絕緣子有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。相鄰兩個(gè)玻璃絕緣子的最大主應(yīng)力的分布云圖及其矢量分布圖如圖6所示。該圖清晰地表明，最大主應(yīng)力位于玻璃絕緣子與管殼的結(jié)合面上，而且是在玻璃絕緣子的端部。該應(yīng)力本質(zhì)上屬于周向應(yīng)力，因此在此部位，裂紋方向?qū)⒅饕菣M向裂紋（徑向裂紋）。這與實(shí)際觀察到的大量開裂失效現(xiàn)象完全一致。

圖4 等效應(yīng)力與塑性變形分布圖

圖5 玻璃絕緣子的最大主應(yīng)力分布圖

圖6 玻璃絕緣子的裂紋起源與裂紋路徑

原有設(shè)計(jì)的設(shè)想是，由于鋁管殼的CTE（21.24×10-6/℃）比玻璃絕緣子的CTE（14×10-6/℃）大很多，從500℃工藝溫度中冷卻下來，玻璃絕緣子將處于壓應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓縮型緊密封接。在最大主應(yīng)力分布云圖中，最大主應(yīng)力為正的區(qū)域處于拉伸狀態(tài)，而最大主應(yīng)力為負(fù)的區(qū)域處于壓縮狀態(tài)。為此，將圖5應(yīng)力云圖中的壓應(yīng)力區(qū)與張應(yīng)力區(qū)區(qū)分開來，如圖7所示。可見玻璃絕緣子的絕大部分區(qū)域都處于壓應(yīng)力區(qū)（應(yīng)力<0，用黑色來表示），與設(shè)計(jì)預(yù)想一致。不過，在玻璃絕緣子的端部，最大主應(yīng)力為正，處于張應(yīng)力狀態(tài)。正是該局部張應(yīng)力區(qū)的存在，造成了裂紋隱患。

圖7 玻璃絕緣子的最大主應(yīng)力分布圖（黑色區(qū)為壓應(yīng)力區(qū)）

3.2 理論分析

對(duì)單個(gè)引腳的封接進(jìn)一步地建立理論分析模型，模型可以抽象為3個(gè)圓柱體進(jìn)行的壓縮型封接（如圖8所示），其中中間的圓柱體為玻璃絕緣子，外徑R=0.550 mm， 內(nèi)徑Ri=0.225 mm（也就是金屬引腳的半徑）。至于外部圓柱體的外徑Ro，則與兩個(gè)引腳之間的節(jié)距相關(guān)。在原有的封裝設(shè)計(jì)中，引腳之間的節(jié)距為1.270 mm。不考慮熔融粘接，僅僅從熱膨脹收縮緊密配合角度考慮，由于引腳的CTE=18.5×10-6/℃，大于玻璃的CTE（14×10-6/℃），因此，從高溫中冷卻下來，玻璃與引腳之間無法形成壓縮型封接，這樣，圖8a的三圓柱模型可以簡(jiǎn)化為8b中的雙圓柱模型。

圖8 理論分析模型

對(duì)于雙圓柱模型，根據(jù)Lames公式[12]，在配合界面（半徑為R）上，內(nèi)外兩個(gè)圓柱體的接觸壓強(qiáng)Pc為：

式（1）中：Eo——外部圓柱體（管殼）的彈性模量；

Ei——里面圓柱體（玻璃）的彈性模量；

υo——外部圓柱體的泊松比；

υi——里面圓柱體的泊松比；

δR——裝配的過盈量。

由此得到內(nèi)部圓柱體在接觸面的徑向應(yīng)力（Radial stress）為：

內(nèi)部圓柱體在接觸面的周向應(yīng)力（Hoop stress）為：

可見，在過盈配合的情況下，內(nèi)部圓柱體的徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且應(yīng)力水平主要取決于接觸壓力（壓縮封接）的大小。

根據(jù)圖8的理論分析模型，有限元仿真分析得到的玻璃的最大主應(yīng)力分布如圖9所示（取外徑Ro=0.635 mm，也就是引腳節(jié)距1.270 mm的一半）?？梢姡琇ames公式雖然能夠反映圓柱體大部分區(qū)域處于壓應(yīng)力狀態(tài)，但不能反映材料之間軸向熱膨脹收縮失配進(jìn)而在絕緣子兩端的張應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)，雙圓柱模型得到的最大主應(yīng)力對(duì)比三圓柱模型偏小，也說明不銹鋼引腳對(duì)絕緣子端部的張應(yīng)力是有貢獻(xiàn)的。

圖9 理論模型的有限元仿真結(jié)果

雖然如此，仍然可以根據(jù)Lames公式得出玻璃絕緣子的應(yīng)力水平主要受到內(nèi)外兩種材料的工藝溫差ΔT、膨脹系數(shù)（αO、αi）和等效管殼材料半徑RO（間接地反映引腳之間的節(jié)距）的影響。

3.3 改進(jìn)討論

3.3.1分步封接方法

參考公式（8），一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)，膨脹系數(shù)為α的鋁桿，從高溫冷卻到室溫，經(jīng)歷ΔT的溫差，那么其收縮量為：

為了降低玻璃封接溫度（500℃）產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，考慮到整個(gè)鋁管殼從高溫中冷卻下來可能存在尺寸效應(yīng)，在新的封裝方案中，采用分步封接方法：先在高溫500℃下將金屬引腳通過玻璃封接安裝到過渡性的小部件（無氧銅），然后再在低溫280℃下將該過渡部件通過金錫焊料封接到鋁管殼上。分步封接方案的仿真模型如圖10所示。本方案降低了封裝管殼的最高封裝工藝溫度，也就是降低了管殼工藝溫度到室溫的溫差。小部件無氧銅則減小了500℃封接工藝下的整個(gè)部件尺寸。最終，在玻璃絕緣子中產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力為66.66 MPa（如圖11所示），比原設(shè)計(jì)的137.30 MPa降低了51.4%，效果非常明顯。

圖10 分步封接仿真模型

圖11 分步封接工藝下玻璃的最大主應(yīng)力分布

3.3.2 材料膨脹系數(shù)的匹配

在分步封接工藝的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步地優(yōu)化并降低玻璃絕緣子的應(yīng)力水平，觀察玻璃絕緣子和不銹鋼引腳這兩種材料的膨脹系數(shù)對(duì)玻璃應(yīng)力的影響。如圖12所示，當(dāng)?shù)蜏夭ＡУ腃TE=12×10-6/℃，則不銹鋼引腳的CTE=14×10-6/℃時(shí)，玻璃獲得最優(yōu)應(yīng)力值為71 MPa；當(dāng)?shù)蜏夭ＡУ腃TE=14×10-6/℃，則不銹鋼引腳的CTE=14×10-6/℃或15×10-6/℃時(shí)，玻璃獲得最優(yōu)應(yīng)力值為40.5 MPa；當(dāng)?shù)蜏夭ＡУ腃TE=16×10-6/℃，則不銹鋼引腳的CTE=16×10-6/℃時(shí)，玻璃獲得最優(yōu)應(yīng)力值為22.5 MPa?？梢?，為了降低玻璃絕緣子本身的應(yīng)力，絕緣子本身的膨脹系數(shù)應(yīng)該大于12×10-6/℃。目前模型所用的不銹鋼引腳的CTE（18.5×10-6/℃）偏大，可以通過降低不銹鋼的CTE并與低溫玻璃之間的CTE匹配來顯著地降低玻璃的熱殘余應(yīng)力。這屬于匹配型封接的應(yīng)用。

圖12 不銹鋼引腳CTE對(duì)玻璃應(yīng)力的影響

3.3.3調(diào)整引腳間距

根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)產(chǎn)品中僅僅有一根引腳而不是有大量并排的引腳時(shí)，即使在500℃下將不銹鋼引腳一步到位地焊接到整個(gè)鋁管殼中，也極少發(fā)生玻璃絕緣子的徑向開裂失效。為此，基于分步封接仿真模型及參數(shù)化建模仿真，不改變模型中材料的膨脹系數(shù)，僅僅通過調(diào)整金屬引腳的數(shù)量和間距，觀察對(duì)玻璃應(yīng)力和與之封接的小部件的塑性變形的影響，如表2所示。其中引腳數(shù)量等于25時(shí)為分步封接模型的基準(zhǔn)結(jié)果，其應(yīng)力分布圖如圖11所示。

表2 引腳數(shù)量與節(jié)距的影響

由于管殼/過渡金屬部件與銅之間為壓縮型封接，因此，根據(jù)Lames公式，增大相鄰引腳之間的距離，也就變相地增大了三圓柱理論模型中外圓柱的外徑，從而加大在玻璃絕緣子中產(chǎn)生的壓應(yīng)力，有助于降低拉應(yīng)力。這屬于壓縮型封接的應(yīng)用。同時(shí)也觀察到，當(dāng)玻璃應(yīng)力大到一定值時(shí)，與之封接的小部件也可能發(fā)生微小塑性變形。

4 結(jié)束語(yǔ)

在原有的設(shè)計(jì)中，玻璃絕緣子的開裂失效與其熱殘余應(yīng)力有關(guān)。仿真結(jié)果表明，其原有的設(shè)計(jì)方案中玻璃絕緣子中的最大主應(yīng)力可達(dá)137 MPa，超過了玻璃的強(qiáng)度極限。仿真分析表明，雖然玻璃絕緣子內(nèi)部大部分區(qū)域處于壓應(yīng)力區(qū)，但是玻璃絕緣子的兩端，仍然存在較大的局部拉應(yīng)力，從而造成裂紋隱患。利用降低溫差的原理，通過采用過渡小部件分步焊接的方法，降低了管殼所經(jīng)歷的最高工藝溫度，從而可以降低整個(gè)焊接過程在玻璃絕緣子中產(chǎn)生的應(yīng)力。利用匹配型封接原理，通過降低不銹鋼引腳的膨脹系數(shù)，使之與玻璃的膨脹系數(shù)相接近，可以大大地降低玻璃的殘余熱應(yīng)力。同時(shí)，低溫玻璃的膨脹系數(shù)應(yīng)大于12×10-6/℃。利用壓縮型封接原理，適當(dāng)?shù)丶哟笠_之間的節(jié)距，也能夠很明顯地降低玻璃的殘余熱應(yīng)力。通過降低玻璃絕緣子的熱殘余應(yīng)力，提高了玻璃-金屬封接的可靠性。