張金利

（中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051）

1 引言

陶瓷材料作為一種高性能材料，在高可靠性需求領域如軍用電子、航空航天電子、商業(yè)上的高端處理器等，得到廣泛的應用[1]。受芯片技術發(fā)展的驅(qū)動，應用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路芯片的陶瓷封裝外殼的封裝密度需要進一步提高。在制造技術（沖孔技術、線條技術等）一定的情況下，封裝密度的增加直接導致大尺寸多腔體陶瓷外殼的出現(xiàn)。同時，高密度大尺寸封裝外殼的需求也將給原有的可靠性技術帶來進一步的挑戰(zhàn)。一方面可以通過合理的結構設計來減小應力集中，另一方面可以通過提高結構強度增加抗破壞能力，而增強結構強度為提高可靠性的根本方法。

陶瓷是一種脆性材料，在應力作用下會產(chǎn)生脆性斷裂，其特點是受到缺陷的控制[2]。材料內(nèi)部或表面存在的各種缺陷可以視作不同性質(zhì)的斷裂源，材料在某一外加應力作用下發(fā)生斷裂的概率將取決于缺陷的物理尺寸和受力狀態(tài)。

陶瓷封裝外殼采用多層陶瓷工藝，在加工過程中，腔體的形成需要經(jīng)過沖孔和熱切等機械成型工藝。在這些工藝中，工藝過程會對生瓷表面造成一定的損傷，這些損傷在經(jīng)過燒結后會有部分保留下來，成為陶瓷封裝外殼的表面缺陷，對斷裂強度造成影響[3]。

圖1 典型大腔體陶瓷外殼工藝流程

因此，研究工藝過程對陶瓷封裝外殼斷裂強度的影響機理和提高強度的加工方式對于提高陶瓷封裝外殼可靠性是至關重要的。

2 恒定加速度下的陶瓷外殼失效

在針對陶瓷外殼的一系列力學可靠性試驗中，恒定加速度實驗能夠充分激勵出陶瓷外殼內(nèi)部的力學響應，從而作為代表性實驗成為力學可靠性分析的首選。高密度大尺寸陶瓷外殼恒定加速度實驗及試驗中元件固定方式如圖2（a）所示。結果發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)裂紋引發(fā)失效的位置集中在腔體的圓角位置，如圖2（b）為典型的陶瓷封裝外殼在20000 G恒定加速度試驗條件下的失效。

圖2 陶瓷外殼典型裂紋失效

3 失效分析

為分析恒定加速度實驗中的失效原因，對恒定加速度條件下瓷件的受力狀態(tài)進行計算，陶瓷封裝外殼第一主應力分布如圖3 所示。陶瓷腔體圓角處應力集中，存在誘發(fā)陶瓷缺陷產(chǎn)生裂紋的概率。

圖3 陶瓷外殼腔體圓角處應力分布

對陶瓷外殼的腔體臺階圓角處和自然表面的缺陷狀態(tài)進行比較觀察，得到的結果如圖4所示?？梢娫诮?jīng)過一般的沖孔和熱切等機械加工后的生瓷件腔體圓角處就已經(jīng)存在一定的缺陷，這些缺陷的尺度遠大于陶瓷自然表面的缺陷。在燒結后一部分缺陷被保留下來，從而在微觀上具有更低的強度，在恒定加速度可靠性試驗中受到集中應力的作用成為可能的裂紋源，形成在低應力下的失效。

4 加工缺陷分析

采用激光加工方式取代沖孔和熱切等機械加工方式對生瓷腔體進行加工，形成的腔體圓角處缺陷狀態(tài)如圖5所示。

可以看出，激光加工所造成的表面損傷較小，且連續(xù)光滑，由于激光的分次加工，側面呈現(xiàn)出層狀形貌。沖孔加工所造成的表面損傷最大，分布雜亂。熱切造成的損傷呈不均勻分布，熱切起始處缺陷較小，數(shù)量較少。向下逐漸增加，在熱切終止處缺陷最大，數(shù)量最多，此處的缺陷與沖孔相似。

結合失效分析可知，激光加工相比沖孔和熱切等機械加工產(chǎn)生的缺陷更少，能夠改善陶瓷外殼腔體的力學強度。

5 抗彎強度試驗驗證

參考YB/T 5349-2006《金屬彎曲力學性能試驗方法》，采用強度瓷條的三點彎曲實驗對不同加工方式的陶瓷強度進行驗證。分別采用激光加工、沖孔加工和熱切加工的方式，加工0.33 mm厚的B210單層生瓷片，再采用多層工藝將單層生瓷片層壓、燒結后，形成標準強度測試瓷條，如圖6所示。利用強度試驗機對試樣進行三點彎曲實驗，使加工面處于最大拉應力面，得到不同加工方法下的瓷條強度數(shù)據(jù)。

得到的強度測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 陶瓷外殼圓角處的表面狀態(tài)

表1 不同加工工藝下陶瓷抗彎強度

將得到的強度數(shù)據(jù)根據(jù)兩參數(shù)Weibull分布對陶瓷強度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，形式如下：

不同加工工藝下的瓷條強度Weibull參數(shù)計算如表2所示。

表2 不同加工工藝下陶瓷抗彎強度Weibull分布式

圖5 不同加工工藝下腔體表面狀態(tài)

圖6 陶瓷抗彎瓷條示意圖

不同加工方式的瓷條強度Weibull如圖7所示。

可見不同加工方式加工出的瓷條強度分布呈現(xiàn)出明顯的差異。強度分布如圖4（a）所示，激光加工出的瓷條具有最高的強度，為572.59 MPa，熱切次之為484.03 MPa，沖孔加工的強度最小為400.58 MPa。激光加工強度高于沖孔加工強度約170 MPa。強度離散度如圖7（b）所示，熱切加工具有最小的離散度，激光加工其次，分散程度最大的是沖孔加工。

圖8 不同加工工藝下陶瓷抗彎瓷條斷面

對三點彎曲試驗后的瓷件進行斷口分析，結果如圖8所示。

對于激光加工瓷條，無論是高應力斷口還是低應力斷口，斷裂源位置大部分集中在接近最大受力面的陶瓷內(nèi)部，部分出現(xiàn)在激光加工面，且斷口粗糙不平，說明激光加工造成的表面損傷與陶瓷本身的缺陷相當，產(chǎn)生斷裂的誘發(fā)應力較高，同時裂紋擴展需要的能量也較高。對于熱切加工瓷條，低強度斷裂源位置主要集中在最大應力面附近的熱切下棱邊處，說明此處由于熱切形成較大的缺陷，易形成斷裂失效。對于沖孔加工瓷條，低強度斷裂的斷裂源位置主要集中在最大應力面上的沖孔加工面上，說明此處由于沖孔形成較大的缺陷，易形成斷裂失效。

通過標準抗彎瓷條的試驗和斷面分析，證明激光劃腔相比機械落腔斷裂強度提高42.5%。通過采用激光加工腔體的方式，能夠提高陶瓷外殼腔體的斷裂強度，減少斷裂失效。

6 結論

文章通過理論分析和試驗驗證對陶瓷封裝外殼腔體應力失效的原因進行了分析，確定了工藝加工方式對陶瓷斷裂強度的影響規(guī)律，采用激光劃腔的方式顯著提高了陶瓷加工件的抗彎強度。此技術已應用于大規(guī)模集成電路芯片和極大規(guī)模集成電路芯片用陶瓷封裝外殼的加工生產(chǎn)，取得了良好的應用效果，對提高大尺寸多腔體陶瓷外殼的斷裂強度具有重大意義。

[1]R R Tummala, Eugene J Rymaszewski, etc, 中國電子學會電子封裝專業(yè)委員會，電子封裝叢書編輯委員會. 微電子封裝手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2]Martin Geneta, Manuel Houmarda. A two-scale Weibull approach to the failure of porous ceramic structures made by robocasting：Possibilities and limits[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2013, 33(4)：679-688.

[3]曾超，王春青，田艷紅，孔令超. 熱切缺陷對氧化鋁陶瓷強度的影響[M]. 宇航材料工藝，航天材料及工藝研究所，2008.