基于多場耦合仿真的T/R組件封裝結(jié)構(gòu)設計研究*

譚良辰，肖 瑞，夏海洋

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

隨著電子信息技術(shù)的進步，有源相控陣雷達技術(shù)朝著高功率、輕量化方向發(fā)展。收/發(fā)（Transmit/Receive, T/R）組件作為有源相控陣雷達的關鍵部分之一，其尺寸、重量和性能指標決定了有源相控陣雷達系統(tǒng)的架構(gòu)[1-2]。鋁硅合金依靠其優(yōu)良的導熱系數(shù)（100～180 W·m-1·K-1）和熱膨脹系數(shù)（（8～17）×10-12°C-1）正越來越廣泛地應用在氣密封裝的T/R組件中[3]。但是，鋁硅系列材料脆性強，薄壁結(jié)構(gòu)加工困難。在P波段、L波段等低頻段T/R組件的設計中，氣密封裝模塊尺寸大，與低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）的熱失配效應加劇，易造成LTCC材料焊接變形失效。因此，需拓展并優(yōu)化得到能適應較大尺寸T/R組件或功率模塊的氣密封裝結(jié)構(gòu)。

為解決鋁硅系列材料脆性強、難加工，易出現(xiàn)脆性斷裂和焊接變形的問題，本文提出將延展性好、韌性佳的6063系列鋁合金作為封裝殼體，4A11系列鋁合金作為蓋板，設計封裝結(jié)構(gòu)。選用FR4（傳統(tǒng)有機樹脂材料）印制板作為基板材料，基于熱-結(jié)構(gòu)多場耦合有限元分析方法計算并優(yōu)化殼體底部厚度和異質(zhì)高低頻連接器結(jié)構(gòu)，并通過實驗進行驗證。

1 T/R組件設計

T/R組件是有源相控陣雷達的核心，主要實現(xiàn)發(fā)射信號的高功率放大，高可靠傳輸至天線單元并輻射至外部空間，同時接收反射信號并傳輸至后端設備進行變頻及數(shù)據(jù)處理。

本文以低頻段單通道T/R組件為例設計發(fā)射及接收通道，發(fā)射通道通過兩級功放進行信號多級放大輸出，接收通道通過低噪放進行信號接收并傳遞到下級。發(fā)射和接收信號的切換控制通過多功能芯片及單刀雙擲開關實現(xiàn)，具體原理如圖1所示[4]。

圖1 單通道T/R組件電路原理圖

根據(jù)電訊功能設計及選用芯片尺寸限制，將結(jié)構(gòu)排布尺寸設計為140 mm× 80 mm，控制電路基板尺寸為55 mm× 75 mm。如果采用50%AlSi 材料作為殼體，控制電路基板選用LTCC，表面積大于100 mm×50 mm[3]，則將基板焊接在結(jié)構(gòu)底板上易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)翹曲，直接固定在有源子陣或陣面骨架上，鋁硅材料安裝位置出現(xiàn)脆性斷裂的風險大且散熱面與結(jié)構(gòu)冷板界面熱阻異常增大，長期使用有芯片高溫燒毀風險。

為有效避免較大尺寸封裝結(jié)構(gòu)焊接曲面變形造成結(jié)構(gòu)失效，本文提出采用鋁合金封裝材料體系，解決大尺寸基板與殼體材料熱適配問題。具體的結(jié)構(gòu)殼體采用韌性好的6063系列鋁合金，熱膨脹系數(shù)為23.4×10-12°C-1，導熱率為218 W/(m·K)，滿足高熱流密度組件的散熱要求?？刂齐娐坊宀捎肍R4基板，水平方向熱膨脹系數(shù)為18.4×10-12°C-1，滿足與結(jié)構(gòu)殼體的熱膨脹匹配要求。封裝殼體內(nèi)部信號互聯(lián)采用金絲鍵合方式，對外互聯(lián)則采用玻璃燒結(jié)電連接器實現(xiàn)。蓋板選用4A11鋁合金，利用激光封焊工藝實現(xiàn)氣密封，同時考慮發(fā)射和接收信號的空間隔離，在發(fā)射和接收通道間布置結(jié)構(gòu)隔墻。

2 有限元仿真分析

本文研究的T/R組件封裝結(jié)構(gòu)應滿足以下基本條件：1）基板與殼體大面積焊接后，殼體變形優(yōu)于平面度0.1 mm；2）蓋板與殼體激光熔焊后，殼體變形優(yōu)于平面度0.1 mm；3）殼體與連接器應力最大處，應力小于焊料失效強度?；谏鲜鲋笜藢/R組件封裝結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

2.1 封裝有限元模型建立

T/R組件封裝結(jié)構(gòu)要求基板材料與殼體大面積焊接過程變形量小，蓋板與殼體激光熔焊以及連接器與殼體焊接時不出現(xiàn)氣密失效?？紤]到從殼體大面積焊接到連接器焊接存在求解尺度過大以及邊界條件復雜的問題，易出現(xiàn)仿真計算不收斂的情況，將大面積焊接、激光熔焊以及連接器焊接相互影響過程簡化處理，僅從單一工藝過程進行建模[5-8]。

2.1.1 大面積焊接過程建模

大面積焊接過程主要評估殼體壁厚對焊接變形的影響。為提高計算效率，將殼體簡化為平板，平板尺寸與殼體底面面積相同，均為140 mm× 80 mm，厚度為1.5～4.5 mm（間隔0.5 mm）。FR4基板尺寸為55 mm×75 mm，基板厚度為2 mm，焊錫層厚度為0.1 mm，采取四周側(cè)邊固定約束，底部輥支撐約束，釋放Z向自由度。具體模型如圖2所示。

圖2 大面積焊接模型

2.1.2 激光熔焊過程建模

激光熔焊是指激光光斑直接照射焊接位置，通過瞬間高溫熔化異種金屬，再降溫凝固，實現(xiàn)異種金屬的連接。

本文對T/R組件外形進行簡化，與實際組件外形一致，去除內(nèi)部隔墻及連接器開孔特征，利用高斯熱源模擬激光照射過程，底部采用固定約束。

2.1.3 連接器焊接建模

連接器尺寸在10 mm以下，因此對T/R組件殼體進行直接建模。建模網(wǎng)格數(shù)量大，影響計算效率和精度，因此僅對殼體側(cè)壁安裝兩個射頻連接器和一個低頻連接器的狀態(tài)進行建模。異質(zhì)連接器焊接模型示意圖見圖3，采取側(cè)壁固定約束，溫度變化范圍為-55°C～+125°C，升降溫時間為15 min，高低溫保持時間為30 min。

圖3 連接器焊接模型示意圖

2.2 材料屬性及本構(gòu)關系

本文的材料包含線性和非線性材料，線性材料的基本屬性如表1所示。

表1 典型線性材料主要物理屬性

材料Sn63Pb37和Au80Sn20在焊接工況下存在一定的蠕變特性，電子封裝領域一般采用Annand本構(gòu)模型將一些微觀參量進行關聯(lián)，如：形變阻抗與位錯密度、固溶體強化與晶粒尺寸等，用以描述材料的應力-應變關系[9-10]。

2.3 仿真結(jié)果

2.3.1 大面積焊接變形

鋁合金底板與FR4基板焊接變形如圖4所示，鋁合金底板呈現(xiàn)明顯的內(nèi)凹趨勢。最大變形隨殼體壁厚變化趨勢如表2所示。

表2 殼體變形隨殼體壁厚增加結(jié)果

圖4 鋁合金底板變形（壁厚1.5 mm）

以1.5 mm壁厚殼體變形值為基準衡量壁厚增加的變形改善，隨著殼體壁厚的增加，最大變形值減小，但超過3 mm后，殼體壁厚的增加對變形的改善很小。

2.3.2 激光熔焊變形

仿真結(jié)果顯示，蓋板與殼體進行激光熔焊過程中，殼體底部變形為外凸趨勢，與大面積焊接趨勢相反。外凸最大位置在激光熔焊焊縫附近，最大變形量為0.03 mm。殼體壁厚增加時，外凸最大變形基本保持不變。

焊接最大應力主要分布在殼體四周位置，最大焊接應力為155.57 MPa，小于6063鋁合金和4A11鋁合金的許用應力值。

2.3.3 連接器焊接應力

Au80Sn20的抗拉強度為275.8 MPa，Sn63Pb37的抗拉強度為52 MPa。重點提取錫鉛焊料處的應力分布，如圖5所示。錫鉛焊料處最大應力為20.17 MPa，滿足強度要求。由仿真結(jié)果看，采用銅環(huán)過渡可以滿足連接器焊接要求。

圖5 連接器焊接應力分布

3 實驗設計與驗證

實驗主要驗證不同壁厚殼體在焊接工況下的變形情況以及可伐連接器和可伐-銅異質(zhì)連接器在溫度沖擊條件下的漏氣情況。

3.1 殼體壁厚

按2.5 mm壁厚設計并加工殼體，每種壁厚殼體加工10個。完成FR4基板大面積焊及蓋板激光熔焊工序后，以圖6（a）所示0號位置為基準，采用三坐標法測量9處位置的高度差，以最大高度差評估殼體變形，測試數(shù)據(jù)如圖6（b）所示。

圖6 測試位置分布圖及焊接變形

實驗結(jié)果顯示，殼體壁厚為2.5 mm時，殼體底部最大變形為0.06 mm，滿足設計要求。殼體變形主要為內(nèi)凹的趨勢，在邊緣位置有局部凸起，與仿真計算顯示的大面積焊接殼體內(nèi)凹和激光熔焊底部凸起的趨勢一致。

3.2 可伐–銅異質(zhì)連接器氣密驗證

采用傳統(tǒng)單體可伐連接器和可伐-銅異質(zhì)連接器進行實驗對比。實驗樣本數(shù)均為15，其中低頻連接器每個樣本焊接1個，射頻連接器每個樣本焊接2個。溫度沖擊條件按GJB 150.5A—2009進行設置，溫度變化范圍為-55°C～+125°C，升降溫時間為15 min，高低溫保持時間為30 min。實驗結(jié)果（表3）為溫度沖擊條件下，連接器氣密失效數(shù)目。圖7為單體低頻連接器50次漏氣后在顯微鏡下的裂紋分布。

表3 可伐–銅異質(zhì)連接器氣密失效數(shù)目（漏氣數(shù)量）

圖7 單體低頻連接器裂紋分布

單體低頻連接器裂紋主要出現(xiàn)在殼體與連接器焊接的錫鉛焊環(huán)處，與仿真結(jié)果一致。溫度沖擊實驗結(jié)果表明，單體連接器無法滿足溫度沖擊200次不漏氣的指標要求。但在鋁合金封裝結(jié)構(gòu)中采用可伐-銅異質(zhì)連接器時未出現(xiàn)漏氣失效情況，可有效避免熱膨脹系數(shù)差異大造成的漏氣失效。

4 結(jié)束語

本文基于熱-結(jié)構(gòu)多場耦合計算方法，對設計的T/R組件鋁合金封裝結(jié)構(gòu)進行有限元計算并優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

1）較大尺寸的T/R組件封裝結(jié)構(gòu)采用6063（殼體）+4A11（蓋板）+FR4（基板）的材料體系，可有效避免鋁硅系列封裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂的風險。

2）殼體壁越厚，大面積焊接后底部變形越小，但超過3 mm后，殼體壁厚的增加對變形的改善不明顯。因此，建議鋁合金封裝體系殼體壁厚選擇為2～3 mm。

3）采用通過金錫焊料互聯(lián)的可伐-銅異質(zhì)連接器，利用金錫焊料及錫鉛焊料的蠕變特性，分級釋放殼體與連接器因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應力。