李祝安，朱思雄，周立彥，王劍峰，張振越

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

0 引言

氣密性陶瓷封裝是集成電路封裝行業(yè)中常用的一種封裝形式，它具有絕緣性好、氣密性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高和散熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于電子工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域。隨著社會(huì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，集成電路器件的封裝數(shù)量也由單個(gè)組件發(fā)展為多個(gè)組件，多個(gè)組件被集成后，在電子工業(yè)中變成了一種主流產(chǎn)品——系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP：System in Package）。SIP是將不同的芯片（例如：處理器、存儲(chǔ)器等）根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和封裝外殼優(yōu)先集成到一個(gè)封裝體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一定的基本功能的單個(gè)封裝器件。由于市場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)集成化功能需求越來(lái)越大，器件的封裝尺寸也變得越來(lái)越大，因此，大尺寸氣密性陶瓷封裝具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而不可忽視的是，大尺寸氣密性陶瓷封裝在結(jié)構(gòu)可靠性方面卻具有一定的缺陷，在生產(chǎn)、運(yùn)輸和服役過(guò)程中可能會(huì)受到一定的作用力更容易導(dǎo)致產(chǎn)品失效。目前業(yè)界研究較多的是可靠性試驗(yàn)下焊點(diǎn)和瓷體的失效分析，對(duì)于蓋板的研究并不多見(jiàn)，然而蓋板在受到一定的作用力后也會(huì)發(fā)生凹陷，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致蓋板開(kāi)裂，造成漏氣，致使電路受到鹽霧、灰塵和水汽等物質(zhì)的侵蝕，從而影響電路的使用和壽命。

因此，本文針對(duì)大尺寸氣密性陶瓷封裝，建立三維有限元仿真模型，模擬可靠性試驗(yàn)進(jìn)行仿真；分析了蓋板在各種試驗(yàn)情況下的受力和變形情況；對(duì)比了不同厚度的蓋板和環(huán)框?qū)ιw板受力及變形的影響。

1 大尺寸氣密性陶瓷封裝蓋板可靠性仿真設(shè)計(jì)

1.1 仿真模型設(shè)計(jì)

建模時(shí)采用大尺寸氣密性陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，主要由外殼、環(huán)框和蓋板3個(gè)組件構(gòu)成。環(huán)框采用一般的可伐環(huán)框，蓋板采用帶凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的合金蓋板。本文主要研究蓋板在可靠性試驗(yàn)仿真過(guò)程中的受力和變形情況，因此，對(duì)芯片及各個(gè)組件間的焊料部分進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，得到大尺寸氣密性陶瓷封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真使用Ansys軟件，在結(jié)構(gòu)分析模塊中進(jìn)行材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、條件設(shè)置、求解計(jì)算和結(jié)果后處理[1-4]。其中，載荷條件根據(jù)GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊和恒定加速度的可靠性試驗(yàn)情況進(jìn)行設(shè)置[5]。

圖1 大尺寸氣密性陶瓷封裝仿真模型圖

1.2 模型尺寸及材料參數(shù)

三維封裝仿真模型的各個(gè)組件尺寸參數(shù)如表1所示，三維封裝仿真模型的各個(gè)組件材料參數(shù)如表2所示。

表1 大尺寸氣密性陶瓷封裝模型的各個(gè)組件尺寸參數(shù)

表2 大尺寸氣密性陶瓷封裝模型的各個(gè)組件材料參數(shù)

2 大尺寸氣密性陶瓷封裝蓋板可靠性仿真分析

2.1 可靠性試驗(yàn)仿真條件

參照《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，仿真過(guò)程中只考慮Z方向即垂直外殼底面向上的載荷，不考慮X和Y方向；同時(shí)，對(duì)外殼底面設(shè)置固定約束條件[6]。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真參照標(biāo)準(zhǔn)中的“試驗(yàn)條件1-J”，振動(dòng)頻率范圍為50～2 000 Hz，功率譜密度為100（m·s-2）2/Hz，Z方向上進(jìn)行15 min由試驗(yàn)條件規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)[5]，機(jī)械沖擊試驗(yàn)仿真參照“試驗(yàn)條件A”，峰值加速度為4 900 m/s2，脈沖寬度為1 ms，Z方向上進(jìn)行5次脈沖沖擊試驗(yàn)[5]。

恒定加速度試驗(yàn)仿真參照“試驗(yàn)條件A”，加速度為49 000 m/s2，Z方向上進(jìn)行1 min規(guī)定數(shù)值的恒定加速度試驗(yàn)[5]。

2.2 可靠性試驗(yàn)仿真分析

通過(guò)對(duì)3種可靠性試驗(yàn)的仿真，可以得到共性的結(jié)果。仿真所得的蓋板應(yīng)力和形變量分布云圖如圖2所示，由圖2中可以看到，蓋板中間呈向上凸起的趨勢(shì)，同時(shí)蓋板與環(huán)框接觸部分的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在蓋板與環(huán)框接觸部分的中間位置，與實(shí)際情況相符。并且蓋板形變量較小，最大應(yīng)力小于蓋板材料的屈服強(qiáng)度，因此發(fā)生失效的可能性較低。

圖2 蓋板應(yīng)力和形變量仿真云圖

3 大尺寸氣密性陶瓷封裝蓋板可靠性仿真研究

3.1 環(huán)框厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響

在其他條件相同的情況下，分別仿真3種可靠性試驗(yàn)中環(huán)框厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響。仿真結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出，隨著環(huán)框厚度的增加，蓋板應(yīng)力和形變量雖然呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是幅度非常小。由此可見(jiàn)，改變環(huán)框厚度，對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量無(wú)明顯的影響。

圖3 環(huán)框厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響

3.2 環(huán)框上側(cè)蓋板的厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響

在其他條件相同的情況下，分別仿真3種可靠性試驗(yàn)中環(huán)框上側(cè)蓋板的厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著環(huán)框上側(cè)蓋板厚度的增加，蓋板應(yīng)力和形變量呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。以隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真為例，環(huán)框上側(cè)蓋板的厚度由0.06 mm變?yōu)?.12 mm，厚度增加了1倍，蓋板應(yīng)力降低0.3倍、形變量減小0.48倍；環(huán)框上側(cè)蓋板的厚度由0.12 mm變?yōu)?.18 mm，厚度增加了0.5倍，蓋板應(yīng)力降低0.41倍、形變量減小0.46倍。由此可見(jiàn)，改變環(huán)框上側(cè)蓋板的厚度，對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量有顯著的影響。

圖4 環(huán)框上側(cè)蓋板的厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響

3.3 環(huán)框下側(cè)蓋板的厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響

在其他條件相同的情況下，分別仿真3種可靠性試驗(yàn)中環(huán)框下側(cè)蓋板的厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著環(huán)框下側(cè)蓋板厚度的增加，蓋板應(yīng)力和形變量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。以隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真為例，環(huán)框下側(cè)蓋板的厚度由0.2 mm變?yōu)?.25 mm，厚度增加了0.25倍，蓋板應(yīng)力降低0.17倍、形變量減小0.19倍；環(huán)框下側(cè)蓋板的厚度由0.25 mm變?yōu)?.3 mm，厚度增加了0.2倍，蓋板應(yīng)力降低0.22倍、形變量減小0.25倍。由此可見(jiàn)，改變環(huán)框下側(cè)蓋板的厚度，對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量有影響。

圖5 環(huán)框下側(cè)蓋板的厚度對(duì)蓋板應(yīng)力和形變量的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)參數(shù)化仿真，模擬了包括隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊和恒定加速度在內(nèi)的結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)過(guò)程，研究了蓋板及焊框厚度對(duì)蓋板可靠性的影響，得到如下結(jié)論：

1）改變焊框厚度對(duì)大尺寸氣密性陶瓷封裝蓋板的應(yīng)力和形變量的影響較小；

2）增加環(huán)框上側(cè)蓋板的厚度，可以顯著地減小大尺寸氣密性陶瓷封裝蓋板的應(yīng)力和形變量，提升蓋板可靠性；

3）在條件允許的情況下，也可通過(guò)增加環(huán)框下側(cè)蓋板的厚度來(lái)減小大尺寸氣密性陶瓷封裝蓋板的應(yīng)力和形變量，提升蓋板可靠性。