高真空度激光探測器使用陶瓷外殼結(jié)構(gòu)可靠性研究

李航舟，楊振濤，段 強，陳江濤，高 嶺

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北 石家莊 050000）

0 引言

金屬外殼引出端部位為單個引線焊接，位置度差，數(shù)量少，密度低。該常規(guī)結(jié)構(gòu)為金屬兩側(cè)以DIP形式引出。該類金屬外殼體積大，不能滿足高集成度芯片的封裝需求，同時氣密性實現(xiàn)難度較大，加工成本高。以目前已經(jīng)開發(fā)出的超大金屬封裝外殼為例，外形尺寸為34.70 mm×80.50 mm×15.60 mm。該金屬封裝外殼引出端數(shù)目僅為64個。

陶瓷PGA封裝形式，可靠性高，引出端數(shù)量多，集成度高，體積小，適應(yīng)高集成度圖像芯片的封裝要求。外形尺寸典型值為53 mm×53 mm×15 mm，體積相當(dāng)?shù)那闆r下，引出端數(shù)目可實現(xiàn)翻倍。PGA陶瓷封裝外殼引出端數(shù)目達到132個。

1 可靠性設(shè)計

1.1 恒定加速度仿真

根據(jù)GJB548B，恒定加速度試驗可作為高應(yīng)力試驗來測定封裝以及微電子器件的機械強度極限值[1-2]，該試驗成為外殼結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計的關(guān)鍵。利用有限元仿真平臺軟件，模擬外殼在5 000 g恒定加速度試驗條件下的受力情況，在保證準(zhǔn)確模擬實際恒定加速度試驗的情況下，盡量減小仿真計算規(guī)模。仿真過程減少部件數(shù)量，適當(dāng)增大網(wǎng)格劃分尺寸以減小網(wǎng)格規(guī)模，從而降低仿真計算量，對外殼恒定加速度試驗仿真模型包括法蘭盤、陶瓷體、熱沉。

恒定加速度試驗方法，外殼在Y1方向承受5 000 g的恒定加速度，實驗過程中擬采用貼壁法，法蘭盤頂面受到設(shè)備內(nèi)壁支撐（Y1方向位移為零），在封口面頂面無摩擦的支撐約束[3-4]。

材料失效方式劃分主要有第一、第二、第三、第四強度準(zhǔn)則，本項目聚焦陶瓷體可能存在的失效形式[5]。根據(jù)失效準(zhǔn)則定義與陶瓷為脆性材料的特點，需用第三強度準(zhǔn)則最大主應(yīng)力理論作失效判據(jù)，根據(jù)拉應(yīng)力強度理論：

式中σ1為最大主應(yīng)力，σb為極限抗彎強度，[σ]為許用應(yīng)力，N為安全系數(shù)（取2），實測陶瓷極限抗彎強度σb滿足375 MPa以上，計算可得陶瓷體許用應(yīng)力[σ]為187.5 MPa。

仿真結(jié)果應(yīng)力分布，陶瓷體的在Y1方向承受5 000 g恒定加速時，最大主應(yīng)力約為49.54 MPa，對比陶瓷材料的許用應(yīng)力為187.5 MPa，因此可據(jù)此判定陶瓷體不會出現(xiàn)失效[6]。

1.2 法蘭低應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計及焊接工藝技術(shù)研究

研究金屬結(jié)構(gòu)件與陶瓷的匹配性，根據(jù)陶瓷材料熱膨脹系數(shù)隨著溫度的變化曲線，選擇合適的釬焊降溫曲線，通過模擬不同熱膨脹系數(shù)金屬結(jié)構(gòu)件與陶瓷的焊接過程，結(jié)合氧化鋁陶瓷外殼的材料特性和該類外殼結(jié)構(gòu)特點，找到陶瓷容易開裂的薄弱位置。根據(jù)不同金屬材料熱膨脹系數(shù)，最終實現(xiàn)降低陶瓷內(nèi)部殘余應(yīng)力同時轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中位置遠離薄弱的陶瓷腔體倒角位置。釬焊后有效降低陶瓷整體殘余應(yīng)力到陶瓷許用應(yīng)力187.5 MPa以下，轉(zhuǎn)移腔體四角處殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。

1.2.1 釬焊相關(guān)因素確定

在具體設(shè)計之前，首先對于整個釬焊過程影響因子進行分解，確定影響關(guān)鍵因素，并將關(guān)鍵因素的影響程度作為后續(xù)釬焊改進的方向。

1.2.1.1 金屬材料熱膨脹系數(shù)的確定

如表1所示，釬焊過程相關(guān)材料特性涉及如下：材質(zhì)、彈性模量、泊松比、密度、熱導(dǎo)率、線性熱膨脹系數(shù)、比熱容。根據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，熱膨脹系數(shù)變化范圍較大，且尺寸較大，熱膨脹系數(shù)是影響釬焊后殘余應(yīng)力的主要因素。其他材料特性基本一致，且對釬焊過程中應(yīng)力影響較小。因此重點研究隨溫度變化的材料準(zhǔn)確的熱膨脹系數(shù)。

表1 不同熱沉材料熱膨脹系數(shù)隨溫度變化

1.2.1.2 釬焊爐溫曲線

鏈?zhǔn)綘t通過鏈條傳送經(jīng)過各個溫度控制區(qū)間，實現(xiàn)釬焊的升溫、保溫、降溫過程，可形成隨時間變化的溫度曲線。

主要手段有：延長保溫時間、豐富降溫曲線溫度區(qū)間等手段，達到降低殘余應(yīng)力的目的。延長保溫時間可通過降低鏈?zhǔn)綘t的鏈速達到充分保溫的目的，對應(yīng)體積大的外殼，減小整體比熱容過大導(dǎo)致的外殼體內(nèi)部出現(xiàn)與外界溫度梯度較大的情況。焊料的揮發(fā)與保溫時間有關(guān)，因此不能無限地延長保溫時間。通過控制冷卻介質(zhì)的排量和速度，豐富降溫區(qū)間的數(shù)量，避免降溫過程中溫度沖擊太大造成外殼局部受熱不均勻產(chǎn)生較大的內(nèi)部殘余應(yīng)力。

1.2.2 試驗片產(chǎn)品驗證

目前技術(shù)手段無專用的設(shè)備與測試方法準(zhǔn)確測試材料的殘余應(yīng)力，只能通過宏觀變形和焊接后彎曲方向，以及溫度循環(huán)試驗后陶瓷是否出現(xiàn)失效判定熱沉金屬與陶瓷的匹配性。具體制作方案，金屬片通過銀銅共晶焊料高溫釬焊焊接到陶瓷片上。如圖1所示試驗片進行驗證。

具體試驗流程如下：通過焊接后變形方向和變形量來表征陶瓷與金屬片的匹配程度，見圖2。

由焊接后的變形量和彎曲方向可以推斷陶瓷焊接后整體彎曲方向和受到的應(yīng)力方向（壓應(yīng)力與拉應(yīng)力），避免陶瓷薄弱環(huán)節(jié)受到拉應(yīng)力的情況，降低殘余應(yīng)力的同時，改善陶瓷受力分布情況提高陶瓷焊接后的強度，為后續(xù)正式產(chǎn)品降低殘余應(yīng)力技術(shù)的開發(fā)提供依據(jù)。

1.2.3 陶瓷初始形變量對熱沉匹配性的影響

建立3種不同彎曲狀態(tài)的陶瓷模型：初始平面度為零，陶瓷與熱沉上凸0.05 mm模型，陶瓷與熱沉下凹0.05 mm模型，并完成裝配。其中中間0.05 mm間隙用焊料進行填充，焊料尺寸與熱沉尺寸相同。仿真結(jié)果見表2。

表2 陶瓷初始形變量對熱沉匹配性的影響

分析以上數(shù)據(jù)，可根據(jù)陶瓷初始變形量和彎曲方向進行釬焊匹配性研究。當(dāng)熱沉和陶瓷的變形方向相同時，應(yīng)力和應(yīng)變均小于初始變形相反的情況。

1.2.4 結(jié)構(gòu)仿真確定

通過建立有限元模型，在釬焊升溫過程中，各個零件由于未焊接到一起，溫度升高為自由膨脹，相互之間無應(yīng)力作用。在降溫過程中，在焊料作用下，各個零件焊接到一起，由于熱膨脹系數(shù)不匹配，在收縮過程中受到相互之間作用力，在外殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。因此可以應(yīng)用熱力耦合模型模擬釬焊的降溫過程。

在初始階段為保溫階段，預(yù)定義溫度場為810 ℃，即各個零件處于零應(yīng)力狀態(tài)。外殼在釬焊模具的約束下，可用三點約束法固定外殼底部四角其中3個點。各個零件接觸面之間釬焊后即綁定在一起，相互之間不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。在外殼的外表面設(shè)置實際釬焊過程隨時間變化的環(huán)境溫度。外殼表面與釬焊爐之間通過對流換熱方式進行熱量交換。建立釬焊模型后進行有限元仿真，可以得到外殼陶瓷體的應(yīng)力分布圖。可根據(jù)不同熱沉材料結(jié)構(gòu)的受力與應(yīng)力集中位置判斷陶瓷體受力情況與開裂失效位置。仿真結(jié)果，陶瓷上最大拉應(yīng)力見圖3。

其中，S、Max、Principal為最大主應(yīng)力（最大拉應(yīng)力理論）。

以4種材質(zhì)建模進行仿真，其仿真結(jié)果見表3。

表3 應(yīng)力對比 單位：MPa

結(jié)合仿真結(jié)果與試驗片變形方向和試驗結(jié)果，綜合考慮陶瓷的結(jié)構(gòu)特點，以及陶瓷焊接后整體受到壓應(yīng)力作用，避免陶瓷受到拉應(yīng)力的情況，降低殘余應(yīng)力的同時，改善陶瓷受力分布情況提高陶瓷焊接后的強度。

2 結(jié)論

帶法蘭盤和熱沉結(jié)構(gòu)PGA陶瓷外殼系列失效的主要模式為：（1）釬焊后陶瓷體開裂；（2）恒定加速度等機械試驗過程中應(yīng)力導(dǎo)致的失效。

結(jié)合陶瓷材料典型的失效模式，找出該結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中位置和結(jié)構(gòu)強度薄弱點進行分析。陶瓷為脆性材料，可以承受較大的壓應(yīng)力，而拉應(yīng)力是陶瓷裂紋生長擴展的直接原因。陶瓷材料加工過程中，由于晶粒的生長，晶格之間的錯位，微裂紋是普遍存在不可避免的，因此防止在較大應(yīng)力集中的拉應(yīng)力下裂紋進行擴展。通過綜合分析不同金屬材料的熱膨脹特性，選擇熱膨脹系數(shù)相對陶瓷較大的金屬零件，整體陶瓷受到壓應(yīng)力作用，將陶瓷容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的腔體四角由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，避免陶瓷薄弱位置出現(xiàn)開裂的情況。